Полупроводник Википедия
Монокристаллический кремний — полупроводниковый материал, наиболее широко используемый в промышленности сегодня.Полупроводни́к — материал, по удельной проводимости занимающий промежуточное место между проводниками и диэлектриками, и отличающийся от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводников является увеличение электрической проводимости с ростом температуры[1].
Полупроводниками являются кристаллические вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка электрон-вольта (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам (около 7 эВ), а арсенид индия — к узкозонным (0,35 эВ). К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.).
Атом другого химического элемента в чистой кристаллической решётке (например, атом фосфора, бора и т. д. в кристалле кремния) называется примесью. В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон в кристалл (в вышеприведённом примере – фосфор) или захватывает его (бор), примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.
Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.
ru-wiki.ru
Полупроводники
Все вещества в зависимости от электропроводности делятся на: проводники, полупроводники и диэлектрики.
Во второй половине ХХ века внимание физиков привлекли кристаллы, свойства которых заметно отличались от свойств проводников (металлов), так и от свойств диэлектриков. Этот особый тип кристаллов назвали полупроводниками.
Полупроводники проводят электрический ток, но значительно хуже, чем проводники (металлы). Их удельное сопротивление, в отличие от проводников (металлов), с повышением температуры уменьшается. Это сближает их с диэлектриками, у которых с повышением температуры удельное сопротивление так же уменьшается. Дальнейшее изучение свойств полупроводников привело к обнаружению у них ряда замечательных свойств, которые в настоящее время используются в разнообразных полупроводниковых приборах.
Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. К полупроводникам относятся элементы IV группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева, которые на внешней оболочке имеют четыре валентных электрона. Типичные полупроводники – германий Ge и кремний Si.
Начнём с того, что и в том, и в другом кристалле ковалентные связи между атомами насыщены, то есть каждый их четырёх валентных электронов одного атома находится в общем владении двух атомов, объединивших свои валентные орбитали. Находясь в общем владении двух атомов, ни один электрон не может свободно перемещаться по кристаллу, даже если кристалл находится в электрическом поле. Кристаллы с ковалентной связью атомов должны быть диэлектриками и алмаз подтверждает правильность такого ожидания. Почему же кристалл кремния проводит электрический ток?
Ковалентная связь электронов с атомами в кристаллах, как и всякая другая связь, может быть разорвана, если сообщить электрону достаточную для этого энергию. В кристалле кремния для разрыва связи с атомом валентному электрону необходима энергия около 1, 1 эВ ≈ 1, 76 · 10-19 Дж, а в кристалле алмаза 7 эВ ≈ 11,2 · 10-19 Дж. При комнатной температуре средняя энергия теплового движения атомов равна примерно 0,04 эВ ≈ 0,064 · 10-19 Дж. Так как энергия теплового движения атомов распределяется случайным образом, отдельные атомы в кристалле кремния время от времени приобретают энергию, достаточную для отрыва электрона от атома. Поэтому в кристалле кремния при комнатной температуре имеется небольшое количество свободных электронов. При повышении температуры количество освобождённых в единицу времени электронов увеличивается. Это приводит к уменьшению удельного сопротивления кремния.
В кристалле алмаза энергия связи валентных электронов значительно больше, чем в кристалле кремния. Поэтому при комнатной температуре в нём почти отсутствуют свободные электроны.
Условно принято считать ковалентные кристаллы с энергией связи электронов не более 1,5 эВ — 2 эВ полупроводниками, а с энергией связи электронов более 2 эВ – диэлектриками.
Остались вопросы? Хотите знать больше о полупроводниках?
Чтобы получить помощь репетитора – зарегистрируйтесь.
Первый урок – бесплатно!
Зарегистрироваться
© blog.tutoronline.ru, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.
blog.tutoronline.ru
Примеры полупроводников, типы, свойства 🚩 Естественные науки
Самым известным полупроводником является кремний (Si). Но, помимо него, сегодня известно много природных полупроводниковых материалов: куприт (Cu2O), цинковая обманка (ZnS), галенит (PbS) и др.
В таблице Менделеева 25 химических элементов являются неметаллами, из которых 13 элементов обладают полупроводниковыми свойствами. Основное отличие полупроводников от других элементов заключается в том, что их электропроводность существенно возрастает при повышении температуры.
Другой особенностью полупроводника является то, что его сопротивление падает под воздействием света. Причем электропроводимость полупроводников меняется при добавлении в состав незначительного количества примеси.
Полупроводники можно встретить среди химических соединений с разнообразными кристаллическими структурами. Например, такие элементы, как кремний и селен, или двойные соединения наподобие арсенид галлия.
К полупроводниковым материалам могут относиться и многие органические соединения, например полиацетилен (СН)n. Полупроводники могут проявлять магнитные (Cd1-xMnxTe) или сегнетоэлектрические свойства (SbSI). При достаточном легировании некоторые становятся сверхпроводниками (SrTiO3 и GeTe).
Полупроводник можно определить как материал с электрическим сопротивлением от 10-4 до 107 Ом·м. Возможно и такое определение: ширина запрещенной зоны полупроводника должна составлять от 0 до 3 эВ.
Чистые полупроводниковые материалы обладают собственной проводимостью. Такие полупроводники и называются собственными, они содержат равное число дырок и свободных электронов. Собственная проводимость полупроводников возрастает при нагреве. При постоянной температуре количество рекомбинирующих электронов и дырок остается неизменным.
Наличие примесей в полупроводниках оказывает существенное влияние на их электропроводность. Это позволяет увеличить количество свободных электронов при небольшом числе дырок и наоборот. Примесные полупроводники обладают примесной проводимостью.
Примеси, которые с легкостью отдают полупроводнику электроны, называются донорными. Донорными примесями могут быть, например, фосфор и висмут.
Примеси, которые связывают электроны полупроводника и увеличивают тем самым в нем количество дырок, называют акцепторными. Акцепторные примеси: бор, галлий, индий.
Характеристики полупроводника зависят от дефектов его кристаллической структуры. Это является основной причиной необходимости выращивания в искусственных условиях предельно чистых кристаллов.
Параметрами проводимости полупроводника при этом можно управлять путем добавления легирующих присадок. Кристаллы кремния легируются фосфором, который в данном случае является донором для создания кристалла кремния n-типа. Для получения кристалла с дырочной проводимостью в полупроводник кремний добавляют акцептор бор.
Самым распространенным одноэлементным полупроводником является кремний. Вместе с германием (Ge) кремний считается прототипом широкого класса полупроводников, обладающих аналогичными структурами кристалла.
Структура кристаллов Si и Ge такая же, что у алмаза и α-олова с четырехкратной координация, где каждый атом окружают 4 ближайших атома. Кристаллы с тетрадрической связью считаются базовыми для промышленности и играют ключевую роль в современной технологии.
Свойства и применение одноэлементных полупроводников:
- Кремний – полупроводник, активно применяемый в солнечных батареях, а в аморфной форме его можно использовать в тонкопленочных солнечных батареях. Также он является наиболее часто используемым полупроводником в фотоэлементах. Он прост в производстве и обладает хорошими механическими и электрическими и качествами.
- Алмаз – полупроводник, обладающий отличной термической проводимостью, превосходными оптическими и механическими характеристиками, высокой прочностью.
- Германий используется в гамма-спектроскопии, высокоэффективных фотоэлементах. Элемент применялся при создании первых диодов и транзисторов. Ему требуется меньше очистки, чем кремнию.
- Селен – полупроводник, применяемый в селеновых выпрямителях, он обладает высокой радиационной устойчивостью и способностью к самовосстановлению.
Рост ионности элементов меняет свойства полупроводников и позволяет образовывать двухэлементные соединения:
- Арсенид галлия (GaAs) – второй по частоте применения после кремния полупроводник, обычно он используется в качестве подложки для других проводников, например, в ИК-сетодиодах, высокочастотных микросхемах и транзисторах, фотоэлементах, лазерных диодах, детекторах ядерного излечения. Однако он хрупок, содержит больше примесей и сложен в изготовлении.
- Сульфид цинка (ZnS) – цинковая соль сероводородной кислоты используется в лазерах и в качестве люминофора.
- Сульфид олова (SnS) – полупроводник, используемый в фотодиодах и фоторезисторах.
Оксиды являются прекрасными изоляторами. Примеры полупроводников этого типа – оксид меди, оксид никеля, двуокись меди, оксид кобальта, оксид европия, оксид железа, оксид цинка.
Процедура выращивания полупроводников данного типа не совсем изучена, поэтому их применение пока ограничено за исключением оксида цинка (ZnO), используемого в качестве преобразователя и в производстве клеящих лент и пластырей.
Помимо этого оксид цинка применяется в варисторах, датчиках газа, голубых светодиодах, биологических сенсорах. Используется полупроводник и для покрытия оконных стекол с целью отражения инфракрасного света, его можно встретить в ЖК-дисплеях и солнечных батареях.
Слоистые кристаллы представляют собой двойные соединения, подобные дииодиду свинца, дисульфиду молибдена и селениду галлия. Они отличаются слоистым строением кристалла, где действуют ковалентные связи значительной силы. Полупроводники такого типа интересны тем, что электроны ведут себя в слоях квази-двумерно. Взаимодействие слоев изменяется введением в состав сторонних атомов. Дисульфид молибдена (MoS2) применяется в высокочастотных выпрямителях, детекторах, транзисторах, мемристорах.
Органические полупроводники представляют собой широкий класс веществ: нафталин, антрацен, полидиацетилен, фталоцианиды, поливинилкарбазол. У них есть преимущество перед неорганическими: им легко придать нужные качества. Они обладают значительной оптической нелинейностью и поэтому широко используются оптоэлектронике.
Кристаллические аллотропы углерода тоже относятся к полупроводникам:
- Фуллерен со структурой в виде выпуклого замкнутого многогранника.
- Графен с одноатомным слоем углерода обладает рекордной теплопроводностью и подвижностью электронов, повышенной жесткостью.
- Нанотрубки – свернутые в трубку пластины графита в нанометров в диаметре. В зависимости от сцепления могут проявлять металлические или полупроводниковые качества.
Примеры магнитных полупроводников: сульфид европия, селенид европия и твердые растворы. Содержание магнитных ионов влияет на магнитные свойства, антиферромагнетизм и ферромагнетизм. Сильные магнитооптические эффекты магнитных полупроводников позволяют использовать их для оптической модуляции. Применяются они в радиотехнических, оптических приборах, в волноводах СВЧ-устройств.
Полупроводниковые сегнетоэлектрики отличаются наличием в них электрических моментов и возникновением спонтанной поляризации. Пример полупроводников: титанат свинца (PbTiO3), теллурид германия (GeTe), титанат бария BaTiO3, теллурид олова SnTe. При низких температурах имеют свойства сегнетоэлектрика. Эти материалы применяются в запоминающих, нелинейно-оптических устройствах и пьезодатчиках.
www.kakprosto.ru
Урок №6. Что такое полупроводники и их свойства.
В предыдущих уроках мы рассказывали о проводниках и диэлектриках и вскользь упомянули о том, что есть промежуточная форма проводимости, которая при определенных условиях может принимать свойства проводника или диэлектрика. Этот тип веществ называют полупроводниками.
Напомню: по электрическим свойствам полупроводники занимают среднее место между проводниками и непроводниками тока.
Наиболее часто для производства полупроводников используют германий, кремний, реже — селен, закись меди и другие вещества.
Свойства полупроводников.
Электропроводность полупроводников сильно зависит от окружающей температуры. При температуре, близкой к абсолютному нулю (- 273С), они ведут себя по отношению к электрическому току как изоляторы. Большинство же проводников, наоборот, при такой температуре становятся сверхпроводящими, т. е. почти не оказывают току никакого сопротивления. С повышением температуры проводников их сопротивление электрическому току увеличивается, а сопротивление полупроводников уменьшается. Электропроводность проводников не изменяется при действии на них света. Электропроводность же полупроводников под действием света, так называемая фотопроводность, повышается.
Полупроводники могут преобразовывать энергию света в электрический ток. Проводникам же это совершенно не свойственно. Электропроводность полупроводников резко увеличивается при введении в них атомов некоторых других элементов. Электропроводность же проводников при введении в них примесей понижается.
Германий и кремний, являющиеся исходными материалами многих современных полупроводниковых приборов, имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона. Всего же в атоме германия 32 электрона, а в атоме кремния 14. Но 28 электронов германия и 10 электронов кремния, находящиеся во внутренних слоях их оболочек, прочно удерживаются ядрами и ни при каких обстоятельствах не отрываются от них. Только четыре валентных электрона атомов этих полупроводников могут, да и то не всегда, стать свободными. Атом же полупроводника, потерявший хотя бы один электрон, становится положительным ионом. В полупроводнике атомы расположены в строгом порядке: каждый из них окружен четырьмя такими же атомами. Они к тому же расположены настолько близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг всех соседних атомов, связывая их в единое вещество.
Такую взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника можно представить себе в виде плоской схемы, как показано на рис. 1, а. Здесь большие шарики со знаком « + » условно изображают ядра атомов с внутренними слоями электронной оболочки (положительные ионы), а маленькие шарики —
Электропроводность полупроводников
При температуре, близкой к абсолютному нулю, полупроводник ведет себя как абсолютный непроводник, потому что в нем нет свободных электронов. Если повышения температуры нет, связь валентных электронов с атомными ядрами ослабевает и некоторые из них вследствие теплового движения могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится свободным (на рис. 1, б — черная точка), а там, где он был до этого, образуется пустое место. Это пустое место в межатомной связи полупроводника условно называют дыркой (на рис. 1 ,б — разорвавшаяся линия). Чем выше температура, тем больше появляется свободных электронов и дырок. Таким образом, образование в массе полупроводника дырки связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а возникновение дырки соответствует появлению положительного электрического заряда, равного отрицательному электрона.
Рис 1. Схема взаимосвязи атомов в кристале полупроводника (а) и упрощенная схема его структуры (б).
А теперь рассмотри рис. 2. На нем схематично изображено явление возникновения тока в полупроводнике. Причиной возникновения тока служит напряжение, приложенное к полюсам (на рис. 2 источник напряжения символизируют знаки « + » и « — »). Вследствие тепловых явлений во всей массе полупроводника высвобождается из межатомных связей некоторое количество электронов (на рис. 2 они обозначены точками со стрелками). Электроны, освобождавшиеся вблизи положительного полюса источника напряжения, притягиваются этим полюсом и уходят из массы полупроводника, оставляя после себя дырки. Электроны, ушедшие из межатомных связей на некотором удалении от положительного полюса, тоже притягиваются им и движутся в его сторону. Но, встретив на своем пути дырки, электроны как бы «впрыгивают» в них (рис. 2, а), происходит заполнение межатомных связей. А ближние к отрицательному полюсу дырки заполняются другими электронами, вырвавшимися из атомов, расположенных еще ближе к отрицательному полюсу (рис. 2, б). Пока в полупроводнике действует электрическое поле, этот процесс продолжается: нарушаются одни межатомные связи — из них уходят валентные электроны, возникают дырки — и заполняются другие межатомные связи — в дырки «впрыгивают» электроны, освободившиеся из каких — то других межатомных связей (рис. 2, б-в).
Рис 2. Схема движения электронов и дырок.
При температуре выше абсолютного нуля в полупроводнике непрерывно возникают и исчезают свободные электроны и дырки даже тогда, когда нет внешних электрических полей. Но электроны и дырки движутся хаотически в разные стороны и не уходят за пределы полупроводника. В чистом полупроводнике число высвободившихся в каждый момент времени электронов равно числу образующихся при этом дырок. Общее же их число при комнатной температуре относительно невелико. Поэтому электропроводность такого полупроводника, (называемая собственной), мала, он оказывает электрическому току довольно большое сопротивление. Но если в чистый полупроводник добавить даже ничтожное количество примеси в виде атомов других элементов, электропроводность его резко повысится. При этом в зависимости от структуры атомов примесных элементов электропроводность полупроводника будет электронной или дырочной.
Электронная проводимость
Если какой-либо атом в кристалле полупроводника заменить атомом сурьмы, имеющим во внешнем слое электронной оболочки пять валентных электронов, этот атом — «пришелец» четырьмя электронами свяжется с четырьмя соседними атомами полупроводника. Пятый же валентный электрон атома сурьмы окажется «лишним» и станет свободным. Чем больше в полупроводник будет введено атомов сурьмы, тем больше в его массе окажется свободных электронов. Следовательно, полупроводник с примесью сурьмы приближается по своим свойствам к металлу: для того чтобы через него проходил электрический ток, в нем не обязательно должны разрушаться межатомные связи. Их называют полупроводниками с электропроводностью или типа (n). Здесь латинская буква n — начальная буква латинского слова negativ (негатив), что значит «отрицательный». Этот термин в данном случае нужно понимать в том смысле, что в полупроводнике типа n основными носителями тока являются отрицательные заряды, т.е. электроны.
Дырочная проводимость
Совсем иная картина получится, если в полупроводник ввести атомы с тремя валентными электронами, например индия. Каждый атом металла индия своими тремя электронами заполнит связи только с тремя соседними атомами полупроводника, а для заполнения связи с четвертым у него не хватает одного электрона. Образуется дырка. Она, конечно, может заполниться каким — либо электроном, вырвавшимся из валентной связи с другими атомами полупроводника. Однако независимо от того, где будут дырки, в массе полупроводника с примесью индия не будет хватать электронов для их заполнения. И чем больше будет введено в полупроводник примесных атомов индия, тем больше в нем образуется дырок. Чтобы в таком полупроводнике электроны могли перемещаться, совершенно обязательно должны разрушаться валентные связи между атомами. Вырвавшиеся из них электроны или же электроны, поступившие в полупроводник извне, движутся от дырки к дырке. А во всей массе полупроводника в любой момент времени число дырок будет больше общего числа свободных электронов. Их называют полупроводниками с дырочной электропроводностью или тип (р). Латинская буква р — первая буква латинского слова positiv (позитив), что значит «положительный». Этот термин в данном случае нужно понимать в том смысле, что явление электрического тока в массе полупроводника типа (р) сопровождается непрерывным возникновением и исчезновением положительных зарядов — дырок. Перемещаясь в массе полупроводника, дырки как бы являются носителями тока. Полупроводники типа р, так же как и типа n, обладают во много раз лучшей электропроводностью по сравнению с чистыми.
Надо сказать, что практически не существует как совершенно чистых полупроводников, так и абсолютно электропроводимых типов n и р. В полупроводнике с примесью индия обязательно есть небольшое количество атомов некоторых других элементов, придающих ему электронную проводимость, а с примесью сурьмы есть атомы элементов, создающих в нем дырочную электропроводность. Например, в полупроводнике, имеющем в целом электропроводность типа n, есть дырки, которые могут заполняться свободными электронами примесных атомов сурьмы. Вследствие этого электропроводность несколько ухудшится, но в целом он сохранит электронную проводимость. Аналогичное явление будет наблюдаться и в том случае, если в полупроводник с дырочным характером попадут свободные электроны.
Поэтому в полупроводниках типа n — основными носителями тока являются электроны (преобладает электронная электропроводность), а к полупроводниках типа р — основными носителями тока являются дырки (преобладает дырочная электропроводность).
www.radioingener.ru
Полупроводники
Исторические сведения
Полупроводники как особый класс веществ, были известны еще с конца XIX века, только развитие теории твердого тела позволила понять их особенность задолго до этого были обнаружены:
1. эффект выпрямления тока на контакте металл-полупроводник
2. фотопроводимость.
Были построены первые приборы на их основе.
О. В. Лосев (1923) доказал возможность использования контактов полупроводник-металл для усиления и генерации колебаний (кристаллический детектор). Однако в последующие годы кристаллические детекторы были вытеснены электронными лампами и лишь в начале 50 — х годов с открытием транзисторов (США 1949 год) началось широкое применение полупроводников (главным образом германия и кремния в радиоэлектронике. Одновременно началось интенсивное изучение свойств полупроводников, чему способствовало совершенствование методов очистки кристаллов и их легированию (введение в полупроводник определенных примесей).
В СССР изучение полупроводников начались в конце 20 — х годов под руководством А.Ф. Иоффе в Физико-техническом институте АН СССР.
Интерес к оптическим свойствам полупроводников возрос всвязи с открытием вынужденного излучения в полупроводниках, что привело к созданию полупроводниковых лазеров вначале на p — n — переходе, а затем на гетеропереходах.
В последнее время большее распространение получили приборы, основанные на действии полупроводников. Эти вещества стали изучать сравнительно недавно, однако без них уже не может обойтись ни современная электроника, ни медицина, ни многие другие науки.
Свойства полупроводников
Полупроводники — широкий класс веществ, характеризующийся значениями удельной электропроводности d, лежащей в диапазоне между удельной электропроводностью металлов и хороших диэлектриков, то есть эти вещества не могут быть отнесены как к диэлектрикам (так как не являются хорошими изоляторами), так и к металлам (не являются хорошими проводниками электрического тока). К полупроводникам, например, относят такие вещества как германий, кремний, селен, теллур, а также некоторые оксиды, сульфиды и сплавы металлов.
Полупроводники долгое время не привлекали особого внимания ученых и инженеров. Одним из первых начал систематические исследования физических свойств полупроводников выдающийся советский физик Абрам Федорович Иоффе. Он выяснил что полупроводники — особый класс кристаллов со многими замечательными свойствами:
1) С повышением температуры удельное сопротивление полупроводников уменьшается, в отличие от металлов, у которых удельное сопротивление с повышением температуры увеличивается. Причем как правило в широком интервале температур возрастание это происходит экспоненционально:
d = dо ∙ exp. (-ea / kT )
где eа — так называемая энергия активации проводимости,
dо — коэффициент зависящий от температуры
Удельное сопротивление полупроводниковых кристаллов может также уменьшатся при воздействии света или сильных электронных полей.
2) Свойство односторонней проводимости контакта двух полупроводников. Именно это свойство используется при создании разнообразных полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, тиристоров и др.
3) Контакты различных полупроводников в определенных условиях при освещении или нагревании являются источниками фото — э. д. с. или, соответственно, термо — э. д. с.
Строение полупроводников и принцип их действия.
Как было уже сказано, полупроводники представляют собой особый класс кристаллов. Валентные электроны образуют правильные ковалентные связи, схематически представленные на рис.1 . Такой идеальный полупроводник совершенно не проводит электрического тока (при отсутствии освещения и радиационного облучения) .
Так же как и в непроводниках электроны в полупроводниках связаны с атомами, однако данная связь очень непрочная. При повышении температуры
( T>0 K) ,освещении или облучении электронные связи могут разрываться, что приведет к отрыву электрона от атома (рис. 2). Такой электрон является носителем тока. Чем выше температура полупроводника, тем выше концентрация электронов проводимости, следовательно, тем меньше удельное сопротивление. Таким образом, уменьшение сопротивления полупроводников при нагревании обусловлено увеличением концентрации носителей тока в нем.
В отличии от проводников носителями тока в полупроводниковых веществах могут быть не только электроны , но и «дырки» . При потере электрона одним из атомов полупроводника на его орбите остается пустое место-«дырка» при воздействии электрическим поле на кристалл «дырка » как положительный заряд перемещается в сторону вектора E, что фактически происходит благодаря разрыву одних связей и восстановление других. «Дырку» условно можно считать частицей , несущей положительный заряд.
Примесная проводимость .
Один и тот же полупроводник обладает либо электронной ,либо дырочной проводимостью — это зависит от химического состава введенных примесей. Примеси оказывают сильное воздействие на электропроводимость полупроводников:
так, например , тысячные доли процентов примесей могут в сотни тысяч раз
уменьшить их сопротивление . Этот факт, с одной стороны , указывает на возможность изменение свойств полупроводников, с другой стороны, он свидетельствует о трудностях технологии при изготовлении полупроводниковых материалов с заданными характеристиками.
Рассматривая механизм влияния примесей на электропроводимость полупроводников, следует рассматривать два случая:
Электронная проводимость .
Добавка в германий примесей, богатых электронами , например мышьяка или сурьмы , позволяет получить полупроводник с электронной проводимостью или полупроводник n — типа ( от латинского слова «негативус» — «отрицательный»).
На рис. 3а схематично показана картина электронных связец при 0 К. Один из валентных электронов мышьяка не участвует в связях с другими атомами. При повышении температуры электрон может быть оторван от атома (см рис. 3б) и тем самым создает электронную проводимость.
Примеси создающие такую электропроводимсть называют донорнями.
Дырочная проводимость
Добавка в тот же германий алюминия, галлия или индия создает в кристалле избыток дырок. Тогда полупроводник будет обладать дырочной проводимостью — полупроводник p — типа.
Дырочная примесная электропроводимость создется атомами имеющими меньшее количество валентных электронов, чем основные атомы. На рис. 4 схематично показаны электронные связи германия с примесью бора. При 0 К все связи укомплектованны, только у бора не хватает одной связи (см рис. 4а). Однако при повышении температуры бор может насытить свои связи за счет электронов соседних атомов (см рис. 4б).
Подобные примеси называются акцепторными.
Жидкие полупроводники
Плавление многих кристалических полупроводников сопроводается резким увеличением их электропроводности Q до значений типичныхдля металлов (см рис. 5а). Однако для ряда полупроводников (например HgSe, HgTe и. т. д.) характерно сохранение или уменьшение Q при плавлении и сохранение полупроводниками характера температурной зависимости Q (см рис. 5б). Некоторые Жидкие полупроводники при дальнейшем повышении температуры теряют полупроводниковые свойства и приобретают металлические (например сплавы Te — Se, ботатые Te). Сплавы же Te — Se, богатые Se ведут себя иначе, их электропроводность имеет чисто полупроводниковый характер.
В Жидких полупроводниках роль запрещенной зоны играет область энергии вблизи минимума плотности состояний в энергетическом спектре электронов.
При достаточно глубоком минимуме в его окрестности появляеся зона почти локализованных состояний носителей зарядов с малой подвижностью (псевдощель). Если при повышении температуры происходит «схлопывание» псевдощелей, жидкий полупроводник превращается в металл.
Использование полупроводников.
Наиболее важные для техники полупроводниковые приборы — диоды, транзисторы, тиристоры основаны на использовании замечательных материалов с электронной или дырочной проводимостью.
Широкое применение полупроводников началось сравнительно недавно, а сейчас они получили очень широкое применение. Они преобразуют свтовую и тепловую энергию в электрическую и, наоборот, с помощью электричества создают тепло и холод. Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном радиоприемнике и в квантовом генераторе — лазере, в крошечной атомной батарее и в микропроцессорах.
Инженеры не могут обходиться без полупровдниковых выпрямителей,
переключателей и усилителей. Замена ламповой аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую ими мощность и резко увеличить надежность.
mirznanii.com
4.2. Собственные полупроводники
Собственный полупроводник – это полупроводник без примесей или с концентрацией примеси настолько малой, что она не оказывает существенного влияния на удельную проводимость полупроводника.Энергетические диаграммы собственного полупроводника приведены на рис.3.1.
При абсолютном нуле температуры валентная зона полностью заполнена электронами, а зона проводимости – пуста. При повышении температуры происходит тепловая генерацияносителей заряда: часть электронов с верхних уровней валентной зоны могут быть переброшены в зону проводимости. Таким образом, в свободной зоне появляются свободные электроны, а в валентной зоне остаются вакантные места – дырки, они ведут себя во внешнем поле как частицы с положительным зарядом. Дырки являются положительными носителями заряда в полупроводниках. Во внешнем электрическом поле дырки движутся в сторону, противоположную электронам. Такого рода проводимость называется дырочной. Таким образом, у собственных полупроводников наблюдается двоякого рода проводимость: электронная и дырочная.
|
|
а) | б) |
Рис. 4.1. Энергетические диаграммы собственного полупроводника: а) – при T=0; б) – при T>0
Процесс тепловой генерации возможен даже при очень низких температурах из-за значительных флуктуаций энергий тепловых колебаний атомов относительно узлов кристаллической решетки. Одновременно с генерацией носителей идет противоположный процесс, называемый рекомбинацией: возвращение электронов из зоны проводимости на вакантные места в валентной зоне, в результате чего исчезает пара носителей заряда (электрон и дырка). В собственном полупроводнике при каждой температуре устанавливается равновесие между процессами генерации и рекомбинации, при котором концентрации электронов и дырок одинаковы.
Процесс тепловой генерации пары “электрон – дырка” можно показать на плоской модели кристаллической решетки полупроводника, например кремния (рис.4.2). Он имеет решетку типа решетки алмаза, в которой каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь с каждым из соседних атомов осуществляется с помощью пары электронов (ковалентная связь). Разрыв связи на рис.4.2 показан стрелкой.
Обозначим собственные концентрации электронов и дырок через niи piсоответственно. (Индексом i будем помечать все величины, характеризующие собственный полупроводник; по-английски intrinsic означает собственный). С ростом температуры концентрация собственных носителей заряда растет по экспоненциальному закону
. (4.2.1)
Здесь k— постоянная Больцмана;T– температура;NcиNv– константы, имеющие смысл эффективного числа уровней в зоне проводимости и валентной зоне соответственно;Ec-дно зоны проводимости,Ev– потолок валентной зоны,EF–уровень Ферми. В собственных полупроводниках уровень Ферми располагается вблизи середины запрещенной зоны, поэтому выражение (4.1) можно записать, используя ширину запрещенной зоныE
. (4.2.2)
4.3.Примесные полупроводники
До сих пор мы рассматривали чистый полупроводниковый материал, обладающий собственной проводимостью. В собственном полупроводнике концентрации электронов и дырок одинаковы и зависят от температуры. Управлять числом носителей заряда в таком полупроводнике сложно. Поэтому для изготовления микросхем и большинства полупроводниковых приборов применяют примесные полупроводники. Их электрические характеристики в основном определяются типом и количеством легирующей примеси. Именно поэтому важное практическое значение имеют такие материалы, у которых ощутимая собственная концентрация носителей заряда появляется при возможно более высокой температуре, т.е. полупроводники с достаточно большой шириной запрещенной зоны. В рабочем диапазоне температур полупроводникового прибора поставщиками основного количества носителей заряда являются примеси.
Различают примеси замещения и примеси внедрения. Если примесные атомы находятся в узлах кристаллической решетки, замещая собой атомы основного вещества, то такую примесь называют примесью замещения. Если же примесные атомы располагаются в междуузлиях, несколько раздвигая кристаллическую решетку, то такую примесь называют примесью внедрения. В полупроводниковой технологии, как правило, используютсяпримеси замещения, создающие дискретные энергетические уровни в запрещенной зоне основного вещества. Примеси обычно вводятся в очень небольших концентрациях. Их атомы расположены в полупроводнике на таких больших расстояниях друг от друга, что не взаимодействуют между собой. Поэтому нет расщепления примесных уровней. Вероятность непосредственного перехода электронов от одного примесного атома к другому ничтожно мала. Примесные уровни в обычном пространстве существуют лишь вблизи самих примесных атомов. Таким образом, энергетические уровни примеси дискретны и локальны. Чтобы подчеркнуть это, на энергетических диаграммах примесные уровни часто изображают пунктирной линией.
При большой концентрации примесей в результате взаимодействия примесных атомов между собой примесные уровни одного типа расщепляются в энергетическую примесную зону. Столь высокие концентрации примесей создают только при изготовлении туннельных и обращенных диодов — в остальных полупроводниковых приборах применяют низкие концентрации примесей. В дальнейшем мы будем рассматривать низкие концентрации примесей.
Мелкие, т.е. расположенные недалеко от краев запрещенной зоны, уровни создают атомы примеси, валентность которых отличается от валентности основных атомов на единицу. Рассмотрим механизм появления дополнительных носителей заряда при легированииполупроводника (т.е. при введении в него примесей).
studfile.net
Полупроводниковые материалы: примеры полупроводников :: SYL.ru
В нашей статье будут рассмотрены примеры полупроводников, их свойства и сферы применения. Эти материалы имеют свое место в радиотехнике и электронике. Они являются чем-то средним между диэлектриком и проводником. Кстати, простое стекло тоже можно считать полупроводником – в обычном состоянии оно ток не проводит. Зато при сильном нагреве (практически до жидкого состояния) происходит изменение свойств и стекло становится проводником. Но это исключительный пример, у других материалов все обстоит немного иначе.
Основные особенности полупроводников
Показатель проводимости составляет около 1000 Ом*м (при температуре 180 градусов). Если сравнивать с металлами, то у полупроводников происходит уменьшение удельной проводимости при возрастании температуры. Такое же свойство имеется у диэлектриков. У полупроводниковых материалов имеется достаточно сильная зависимость показателя удельной проводимости от количества и типа примесей.
Допустим, если ввести в чистый германий всего тысячную долю мышьяка, произойдет увеличение проводимости примерно в 10 раз. Все без исключения полупроводники чувствительны к воздействиям извне – ядерному облучению, свету, электромагнитным полям, давлению и т. д. Можно привести примеры полупроводниковых материалов – это сурьма, кремний, германий, теллур, фосфор, углерод, мышьяк, йод, бор, а также различные соединения этих веществ.
Особенности применения полупроводников
Благодаря тому, что у полупроводниковых материалов такие специфические свойства, они получили довольно широкое распространение. На их основе изготавливают диоды, транзисторы, симисторы, лазеры, тиристоры, датчики давления, магнитного поля, температуры, и т. д. После освоения полупроводников произошло коренное преобразование в автоматике, радиотехнике, кибернетике и электротехнике. Именно при помощи использования полупроводников удалось достичь таких маленьких габаритов техники – нет нужды использовать массивные блоки питания и радиолампы размером с полуторалитровую банку.
Ток в полупроводниках
В проводниках ток определяется тем, куда двигаются свободные электроны. В полупроводниковых материалах свободных электронов очень много, на это есть причины. Все валентные электроны, которые имеются в полупроводнике, не свободны, так как они связываются со своими атомами.
В полупроводниках ток может появляться и меняться в достаточно широких пределах, но только при наличии воздействия извне. Ток меняется при нагреве, облучении, введении примесей. Все воздействия способны значительно увеличить у валентных электронов энергию, что способствует их отрыву от атомов. А приложенное напряжение заставляет эти электроны перемещаться в определенном направлении. Другими словами, эти электроны становятся носителями тока.
Дырки в полупроводниках
При повышении температуры или интенсивности внешнего облучения происходит увеличение количества свободных электронов. Следовательно, увеличивается ток. Те атомы в веществе, которые потеряли электроны, становятся положительными ионами, они не перемещаются. С внешней стороны атома, с которого ушел электрон, остается дырка. В нее может встать другой электрон, который покинул свое место в атоме поблизости. В результате этого на внешней части у соседнего атома образуется дырка – он превращается в ион (положительный).
Если к полупроводнику приложить напряжение, то электроны начнут двигаться от одних атомов к соседним в определенном направлении. Дырки же начнут перемещаться во встречном направлении. Дырка – это положительно заряженная частица. Причем заряд у нее по модулю такой же, как у электрона. С помощью такого определения можно существенно упростить анализ всех процессов, которые протекают в полупроводниковом кристалле. Ток дырок (обозначается I Д) – это перемещение частиц в направлении, обратном движению электронов.
Электронно-дырочный переход
У полупроводника имеется два типа электропроводимости – электронная и дырочная. В чистых полупроводниках (без примесей) у дырок и электронов концентрация (N Д и N Э соответственно) одинаковая. По этой причине такая электропроводность называется собственной. Суммарное значение тока будет равно:
I = I Э+I Д.
Но если учесть тот факт, что у электронов значение подвижности больше, чем у дырок, можно прийти к такому неравенству:
I Э > I Д.
Подвижность заряда обозначается буквой М, это одно из главных свойств полупроводников. Подвижность – это отношение двух параметров. Первый – скорость перемещения носителя заряда (обозначается буквой V с индексом «Э» или «Д», в зависимости от типа носителя), второй – это напряженность электрического поля (обозначается буквой Е). Можно выразить в виде формул:
М Э = (V Э / Е).
М Д = (V Д / Е).
Подвижность позволяет определить путь, который проходит дырка или электрон за одну секунду при значении напряженность 1 В/см. можно теперь вычислить собственный ток полупроводникового материала:
I = N * e * (М Э + М Д) * E.
Но нужно отметить, что у нас есть равенства:
V Э =М Э.
N = N Э = N Д.
Буквой е в формуле обозначается заряд электрона (это постоянная величина).
Полупроводниковые приборы
Сразу можно привести примеры полупроводниковых приборов – это транзисторы, тиристоры, диоды, и даже микросхемы. Конечно, это далеко не полный список. Чтобы изготовить полупроводниковый прибор, нужно использовать материалы, у которых проводимость дырочная или электронная. Чтобы получить такой материал, необходимо в идеально чистый полупроводник с концентрацией примесей менее 10-11% ввести добавку (ее называют легирующей примесью).
Те примеси, у которых валентность оказывается больше, чем у полупроводника, отдают свободные электроны. Эти примеси называются донорами. А вот те, у которых валентность меньше, чем у полупроводника, имеют свойство хватать и удерживать электроны. Их называют акцепторами. Для того чтобы получился полупроводник, который будет обладать лишь проводимостью электронного типа, в исходный материал достаточно ввести вещество, у которого валентность будет всего на единицу больше. Для примера полупроводников в физике школьного курса рассматривается германий – его валентность равна 4. В него добавляется донор – фосфор или сурьма, у них валентность равна пяти. Металлов-полупроводников немного, они практически не используются в технике.
При этом 4 электрона в каждом атоме осуществляют установку четырех парных (ковалентных) связей с германием. Пятый электрон не имеет такой связи, а значит, он в свободном состоянии. И если приложить к нему напряжение, он будет образовывать электронный ток.
Токи в полупроводниках
Когда ток электронов больше, чем дырок, полупроводник называют n-типа (отрицательного). Рассмотрим пример – в идеально чистый германий вводят немного примеси акцептора (допустим, бор). При этом каждый атом акцептора начнет устанавливать ковалентные связи с германием. Но вот четвертый атом германия не имеет связи с бором. Следовательно, у определенного количества атомов германия будет иметься только один электрон без связи ковалентного типа.
Но достаточно незначительного воздействия извне, чтобы электроны начали покидать свои места. При этом у германия образовываются дырки.
По рисунку видно, что на 2, 4 и 6 атомах свободные электроны начинают присоединяться к бору. По этой причине не создается ток в полупроводнике. На поверхности атомов германия образуются дырки с номерами 1, 3 и 5 – с их помощью происходит переход на них электронов от расположенных рядом атомов. На последних же начинают появляться дырки, так как электроны с них улетают.
Каждая дырка, которая возникает, начнет переходить между атомами германия. При воздействии напряжения дырки начинают двигаться упорядоченно. Другими словами, в веществе появляется ток дырок. Такой тип полупроводников называется дырочным или p-типа. При воздействии напряжения двигаются не только электроны, но и дырки – они встречают на своем пути разнообразные препятствия. При этом происходит потеря энергии, отклонение от изначальной траектории. Иными словами, заряд носителей рассеивается. Все это происходит из-за того, что в полупроводнике содержатся загрязняющие примеси.
Вольт-амперная характеристика
Чуть выше были рассмотрены примеры веществ-полупроводников, которые используются в современной технике. У всех материалов имеются свои особенности. В частности, одно из ключевых свойств – это нелинейность вольт-амперной характеристики.
Иными словами, когда происходит увеличение напряжения, которое прикладывается к полупроводнику, происходит быстрое возрастание тока. Сопротивление при этом резко уменьшается. Такое свойство нашло применение в разнообразных вентильных разрядниках. Примеры неупорядоченных полупроводников можно более детально рассмотреть в специализированной литературе, их применение строго ограничено.
Хороший пример: при рабочем значении напряжения у разрядника сопротивление высокое, поэтому от ЛЭП ток не уходит в землю. Но как только в провод или опору ударяет молния, сопротивление очень быстро уменьшается практически до нуля, весь ток уходит в землю. И напряжение снижается до нормального значения.
Симметричная ВАХ
Когда происходит смена полярности напряжения, в полупроводнике ток начинает протекать в обратном направлении. И меняется он по тому же закону. Это говорит о том, что полупроводниковый элемент обладает симметричной вольт-амперной характеристикой. В том случае, если одна часть элемента имеет дырочный тип, а вторая – электронный, то на границе их соприкосновения появляется p-n-переход (электронно-дырочный). Именно такие переходы имеются во всех элементах – транзисторах, диодах, микросхемах. Но только в микросхемах на одном кристалле собирается сразу несколько транзисторов – иногда их количество более десятка.
Как происходит образование перехода
А теперь давайте рассмотрим, как происходит образование p-n-перехода. Если контакт дырочного и электронного полупроводников не очень качественный, то происходит образование системы, состоящей из двух областей. Одна будет иметь дырочную проводимость, а вторая – электронную.
И электроны, которые находятся в n-области, начнут диффундировать туда, где их концентрация меньше – то есть, в р-область. Одновременно с электронами дырки двигаются, но направление у них обратное. При взаимной диффузии происходит уменьшение концентрации в n-области электронов и в р-области дырок.
Основное свойство p-n-перехода
Рассмотрев примеры проводников, полупроводников и диэлектриков, можно понять, что свойства у них различные. Например, основное качество полупроводников – это возможность пропускания тока только лишь в одном направлении. По этой причине приборы, изготовленные с использованием полупроводников, получили широкое распространение в выпрямителях. На практике, используя несколько измерительных приборов, можно увидеть работу полупроводников и оценить массу параметров – как в режиме покоя, так и при воздействии внешних «раздражителей».
www.syl.ru
