Виды полупроводников: определение, свойства и классификация, сферы применения

Особенности полупроводников

Проводником принято считать материал, который имеет способность пропускать сквозь себя электрический ток. На основе этого материала изготавливается множество деталей в радиотехнике. В этой статье подробно описано какие бывают полупроводники, и где их чаще всего можно встретить в повседневной жизни, а также представлено несколько наиболее популярных схем.

Определение названия

Полупроводниками называют материалы, внутри которых, в следствие движения электронов, появляется электрический ток, а показатель удельного сопротивления заключается в интервале между проводниками и диэлектриками.

К таким проводникам можно отнести ряд химических элементов IV, V и VI категорий из таблицы Д. И. Менделеева — графит, кремний, германий, селен и прочие, а также большинство окисей и иных соединений различных металлов. Число подвижных электронов внутри вещества, в основном, небольшое, но оно увеличивается в тысячи раз при под механическим воздействием внешней среды:

• Повышение температуры,
• Действие ультрафиолета
• Наличие в составе определенных добавок.

Характеристики вещества

Полупроводники можно разделить на следующие подгруппы:

Важно! В веществах вида n в роли носителей можно рассматривать электроны, которые, при возникновении тока, передвигаются по всему полупроводнику в хаотичном порядке.

В дырочном виде p в роли носителей зарядов рассматриваются так называемые отверстия (под ними понимается свободное пространство между атомами, на место которого может стать другой электрон). Дырки считаются равносильными положительному заряду. При возникновении тока внутри проводника вида p, электроны выполняют только направленные скачки между ближайшими атомами.

Важно! При перескоке заряда из одного отверстия в другое, дырка передвигается в противоположном направлении, что влечёт за собой образование тока.

Электропроводимость элементов

Собственной проводимостью полупроводника называется свойство, обусловленное носителями, образовавшимися в следствие перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. При температуре, близкой к абсолютному нулю, все уровни в валентной зоне полностью заполнены, а в зоне проводимости – свободны, и полупроводник по свойствам близок к диэлектрику.

Повышение температуры приводит к тому, что часть электронов из валентной зоны переходит в зону проводимости. Каждый подобный электрон оставляет после себя в валентной зоне свободное место – дырку, рассматриваемую как эквивалентный частице положительный заряд. Следовательно, электрон и дырка рождаются одновременно – парой.

Свойства особого типа проводимости обусловлены наличием примесей. Введение примеси (порядка 0,01%) изменяет энергетическую структуру полупроводника, в запрещенной зоне появляются локальные энергетические состояния. Этот процесс получил научное название – легирование. То есть, процесс, подразумевающий внедрение в состав основного вещества определенных добавок и примесей. Легирование используется во время производства полупроводниковых приборов и деталей. Главная задача этого процесса – изменить концентрацию носителей внутри зарядов. Для этого можно воспользоваться имплантацией ионов или трансмутационным легированием.

Какие типы существуют

Существует два вида проводимости. Электронная и дырочная. Ниже подробно рассказано о каждом из них.

По характеру проводимости

Электронная проводимость.

Если добавить в полупроводник кремния пятивалентный атом мышьяка (As), то, посредством четырехвалентных электронов, мышьяк установит ковалентные связи c четырьмя соседними атомами кремния. Для пятого валентного электрона не останется пары, и он станет слабо связанным с атомом.

Дырочная проводимость.

Введем в кристалл кремния трехвалентный атом индия (In). Индий установит ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами кремния. Для четвертого «соседа», у индия не хватает одного электрона. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов кремния.

По типу проводимости

По виду проводимости вещества подразделяют на n-тип и р-тип.

Полупроводник n-типа имеет примесную природу и проводит электрический ток подобно металлам. Примесные элементы, которые добавляют в полупроводники для получения n-типа, называются донорными.

Важно! Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд, переносимый свободным электроном.

Вещество p-типа, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными.
Важно! «p-тип» происходит от слова «positive», означающий положительный заряд основных носителей. Ниже указаны полупроводники примеры и их использование в радиотехнике.

Сфера применения полупроводника

Полупроводниковыми приборами называются устройства, действие которых основано на использовании свойств полупроводниковых материалов.

На основе беспереходных полупроводников изготавливаются такие резисторы:

• Линейный резистор – удельное сопротивление практически не зависит от напряжения и тока. Является «элементом» интегральных микросхемах;
• Варистор – сопротивление зависит от приложенного напряжения;
• Терморезистор – сопротивление зависит от температуры. Различают два типа: термистор (с увеличением температуры сопротивление падает) и позисторы (с увеличением температуры сопротивление возрастает);
• Фоторезистор – сопротивление зависит от освещенности (излучения);
• Тензорезистор – сопротивление зависит от механических деформаций.

Принцип работы большинства таких приборов основывается на свойствах электронно-дырочного перехода p-n – перехода.

В заключении необходимо отметить, что проводники и полупроводники каждый день встречаются в жизни человека. Их достаточно часто применяют в радиотехнике и физике. Например, их можно встретить в классических транзисторах или варисторах для сопротивления. Ни один электроприбор не сможет функционировать без этих деталей.

Виды полупроводников: определение, свойства и классификация, сферы применения

Электронная и дырочная проводимость

В полупроводниках при повышении температуры выше абсолютного нуля некоторые электроны валентной зоны получают дополнительную энергию, которой становится достаточно для преодоления запрещённой зоны и перехода на уровень проводимости. В итоге при комнатной температуре в зоне проводимости постоянно присутствует некоторое количество электронов, а в валентной зоне атомов образуется дефицит электронов (дырки).

В итоге полупроводник начинает обладать и электронной и дырочной проводимостью — электронную проводимость осуществляют электроны, свободно перемещающиеся в зоне проводимости, а дырочную — электроны в зоне валентности, способные перескакивать в дырку с соседних атомов. При этом электронная проводимость доминирует над дырочной, так как электроны зоны проводимости перемещаются свободнее, но общая электропроводность полупроводника естественно складывается из этих двух проводимостей.

P – n-ПЕРЕХОД

– (электронно-дырочный переход) – слой с пониженной электропроводностью, образующийся на границе полупроводниковых областей с электронной (n -область) и дырочной ( р -область) проводимостью. Различают гомопереход, получающийся в результате изменяющегося в пространстве легирования донорной и акцепторной примесями одного и того же полупроводника (напр., Si), и гетеропереход, в к-ром р-область и n- область принадлежат разл. полупроводникам. Термин ” р – п.-П.” как правило, применяют к гомопереходам.
Обеднённый слой. Из-за большого градиентаконцентрации электронов ( п )и (обратного ему по знаку) градиентаконцентрации дырок ( р )в р – n-П. происходит диффузионноеперетекание электронов из п -об-ласти в р -область и дырокв обратном направлении. Его следствием является накопление избыточногоположит. заряда в n -области и отрицательного – в р -области(рис. 1). При этом появляется электрич. поле, направленное из n -областив р -область, действие к-рого на электроны и дырки (при термодинамич.

Классификация полупроводниковых материалов.

Полупроводники представляют собой весьма многочисленный класс материалов. В него входят сотни самых разнообразных веществ – как элементов, так и химических соединений. Полупроводниковыми свойствами могут обладать как неорганические, так и органические вещества, кристаллические и аморфные, твердые и жидкие, немагнитные и магнитные. Несмотря на существенные различия в строении и химическом составе, материалы этого класса роднит одно замечательное качество- способность сильно изменять свои электрические свойства под влиянием небольших внешних энергетических воздействий.

Полупроводниковыми свойствами обладают и некоторые модификации олова и углерода.

Последний существуют двух аллотропных формах – алмаз и графит. Графит по электрическим свойствам близок к проводникам (ΔЭ III В V и A II B VI , которые в настоящее время являются важнейшими материалами полупроводниковой оптоэлектроники.

Свойстваp-n– перехода. Полупроводниковые приборы являются основой современной электронной техники. Они применяются в радиоприемниках и телевизорах, микрокалькуляторах и электронных вычислительных машинах. Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на использовании свойств p-n – перехода.
Для создания p-n – перехода в кристалле с электронной проводимостью нужно создать область с дырочной проводимостью или в кристалле с дырочной проводимостью — область с электронной проводимостью.
Такая область создается введением примеси в процессе выращивания кристалла или введением атомов примеси в готовый кристалл. Через границу, разделяющую области кристалла с различными типами проводимости, происходит диффузия электронов и дырок

Между двумя слоями объемного заряда возникает электрическое поле. По мере накопления объемного заряда напряженность поля возрастает, и оно оказывает все большее противодействие переходам электронов из n-полупроводника в р-полупроводник или дырок из р-полупроводника в n-полупроводник. Электронно-дырочный переход, или сокращенно p-n – переход, является границей, разделяющей области с дырочной (р) и электронной (n) проводимостями в одном монокристалле.
Пограничная область раздела полупроводников с различным типом проводимости в связи с уходом свободных электронов и дырок практически превращается в диэлектрик.
Между областями с различным типом проводимости объемные заряды ионов создают напряжение U_k; его значение для германиевых p-n – переходов равно примерно 0,35 В; для кремниевых — около 0,6 В.
Если к p-n – переходу приложено напряжение знаком плюс на область с электронной проводимостью, то электроны в n– полупроводнике и дырки в р-полупроводнике удаляются внешним полем от запирающего слоя в разные стороны, увеличивая его толщину. Сопротивление p-n – перехода велико, сила тока мала и практически не зависит от напряжения. Этот способ включения диода называется включением в запирающем или в обратном направлении. Обратный ток полупроводникового диода обусловлен собственной проводимостью полупроводниковых материалов, из которых изготовлен диод, т. е. наличием небольшой концентрации свободных электронов в p-полупроводнике и дырок в n-полупроводнике.
Если к p-n – переходу приложено напряжение знаком плюс на область с дырочной проводимостью и знаком минус на область с электронной проводимостью, то переходы основных носителей через p-n – переход облегчаются. Двигаясь навстречу друг другу, основные носители входят в запирающий слой, уменьшая его удельное сопротивление. Сила тока через диод в этом случае при напряжениях, превышающих U_k, ограничивается лишь сопротивлением внешней электрической цепи. Этот способ включения диода называется включением в пропускном или в прямом направлении.
Способность p-n – перехода пропускать ток в одном направлении и не пропускать его в противоположном направлении используется в приборах, называемых полупроводниковыми диодами, для преобразования переменного тока в постоянный, точнее в пульсирующий, ток.
Достоинством полупроводникового диода являются малые размеры и масса, длительный срок службы, высокая механическая прочность, высокий коэффициент полезного действия, а недостатком — зависимость их параметров от температуры.

Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от полевого транзистора, используются заряды одновременно двух типов, носителями которых являются электроны и дырки (от слова «би» — «два»). Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке.

Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же главное отличие коллектора — бо́льшая площадь p — n-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.

В активном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт). Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку. В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора [1] . Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны, и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (I_э=I_б + I_к). Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (I_к = α I_э) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α 0.9 — 0.999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α / (1 − α) =(10..1000). Таким образом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим током коллектора.

Полевой транзистор — полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия «перпендикулярного» току электрического поля, создаваемого входным сигналом на затвор.

Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие приборы часто включают в более широкий класс униполярных электронных приборов (в отличие от биполярных).

Электрические фильтры могут быть классифицированы по различным признакам: пропускаемым частотам, схемам соединения элементов, типам элементов, характеристикам.

В зависимости от полосы пропускаемых частот различают фильтры нижних частот (ФНЧ), фильтры верхних частот (ФВЧ), полосовые фильтры (ПФ), режекторные (заградительные) фильтры (РФ).

АЧХ идеальных фильтров указанных типов показаны на рис. 2. ФЧХ идеальных фильтров в полосе пропускания (заграждения в РФ) линейная.

Полоса пропускания (заграждения в РФ) ограничена у ФНЧ частотами f=0 и f=f_СР – частотой среза, у ФВЧ – f_СР и f= , у ПФ и РФ нижней и верхней частотами среза. Часто ПФ и РФ характеризуются средней частотой f₀ и полной полосой пропускания (заграждения) 2D f.

В зависимости от схемы различают фильтры из Г-образных ( рис. 3, а), Т-образных (рис. 3, б) и П-образных звеньев (рис. 3, в).

По числу звеньев различают фильтры однозвенные (простейшие) и многозвенные. Звенья содержат последовательные и параллельные ветви. Простейшим является Г-образное звено, которое содержит два сопротивления. Особенностью такого звена является невозможность сделать равными (симметричными) сопротивления фильтров со стороны входных (1-1) и выходных (2-2) клемм. Чаще применяют симметричные Т– и П-образные звенья. Они создаются последовательным соединением двух Г-образных звеньев. У Т-образного звена, как правило, ; у П-образного – .

В простейших реактивных фильтрах сопротивления и Г-образного звена подбираются так, чтобы произведение их на любой частоте было бы постоянным. Этого можно добиться, если ветви фильтра содержат реактивности разных знаков, т.е. одна ветвь содержит индуктивность, другая – емкость.

Сглаживание пульсаций – первоочередная задача после выпрямления тока. Эту задачу выполняет фильтр, состоящий из конденсатора (конденсаторов), который включен в цепь между выпрямителем и нагрузкой. Ёмкость конденсатора фильтра зависит от тока нагрузки. Чем больше ток нагрузки, тем большую ёмкость должен иметь конденсатор сглаживающего фильтра. Принцип работы сглаживающего фильтра выпрямителейследующий, в промежутки времени между импульсами напряжения с выпрямителя напряжение для нагрузки получается с конденсатора. Это хорошо видно на диаграмме.

В то время, когда есть импульс, конденсатор заряжается, когда импульса нет или он ниже напряжения источника питания конденсатор отдаёт своё напряжение в нагрузку. Обратите внимание, после сглаживания напряжение на выходе фильтра выпрямителя (без нагрузки) превышает среднее значение напряжения. Оно практически равно амплитуде выпрямленного напряжения. Точное значение – переменное напряжение с вторичной обмотки трансформатора умноженное на 1,4.

Напряжение на выходе фильтра не идеально. Если посмотреть на диаграмму, можно увидеть небольшие пульсации напряжения (или пульсации тока). Это происходит из-за того, что конденсатор между импульсами разряжается. Для многих схем небольшие пульсации напряжения являются допустимыми. Пульсации напряжения можно уменьшить увеличив ёмкость конденсатора. При однополупериодной схеме выпрямления ёмкость конденсаторов надо как минимум удваивать.

Входные статические характеристики представляют собой вольт-амперные характеристики эмиттерного электронно-дырочного перехода. Если транзистор включен по схеме с общей базой, то это будет зависимость тока эмиттераIэ от напряжения на эмиттерном переходе UэБ . При отсутствии коллекторного напряжения (U_КБ = 0) входная характеристика представляет собой прямую ветвь вольт-амперной характеристики эмиттерного ЭДП, такой же, как ВАХ диода. Если на коллектор подать некоторое напряжение, смещающее его в обратном направлении, то коллекторный ЭДП расширится и толщина базы вследствие этого уменьшится. В результате уменьшится и сопротивление базы эмиттерному току, что приведет к увеличению эмиттерного тока, то есть характеристика пройдет выше.
При включении транзистора по схеме с общим эмиттером входной характеристикой будет графическая зависимость тока базы I_Б ОТ напряжения на эмиттерном переходе U_БЭ.Так как эмиттерный переход и при таком включении остается смещенным в прямом направлении, то входная характеристика будет также подобна прямой ветви вольт-амперной характеристики эмиттерного ЭДП .
Выходные статические характеристики биполярного транзистора — это вольт-амперные характеристики коллекторного электронно-дырочного перехода, смещенного в обратном направлении. Их вид также зависит от способа включения транзистора и очень сильно
от состояния, а точнее — режима работы, в котором находится эмиттерный ЭДП. Если транзистор включен по схеме с общей базой (ОБ) иIэ = 0, то есть цепь эмиттера оборвана, то эмиттерный ЭДП не оказывает влияния на коллекторный переход. Так как на коллекторный ЭДП подано обратное напряжение, то выходная характеристика, представляющая собой зависимость тока коллектора Iк от напряжения между коллектором и базойU_КБ, будет подобна обратной ветви ВАХ диода (нижняя кривая ). Если же на эмиттерный ЭДП подать прямое напряжение
, то появится ток эмиттера Iэ, который создаст почти такой же коллекторный ток Iк. Чем больше прямое напряжение на эмиттерном ЭДП, тем больше значения эмиттерного и коллекторного токов и тем выше располагается выходная характеристика.
Сказанное справедливо и при включении биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Разница состоит лишь в том, что в этом случае выходные характеристики снимают не при постоянных значениях тока эмиттера, а при постоянных значениях тока базы I_Б , и идут они более круто, чем выходные характеристики в схеме с ОБ.
При чрезмерном увеличении коллекторного напряжения происходит пробой коллекторного ЭДП, сопровождающийся резким увеличением коллекторного тока, разогревом транзистора и выходом его из строя.

Статические характеристики полевого транзистора с управляющим р-
n- переходом

Рассмотрим вольт – амперные характеристики полевых транзисторов с р-n- переходом. Для этих транзисторов представляют интерес два вида вольт – амперных характеристик: стоковые и стоко – затворные.

Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с р-n- переходом и каналом n- типа показаны на рис.3, а. Они отражают зависимость тока стока от напряжения Uси при фиксированном напряжении Uзи: Ic = f(Uси) при Uзи = const . Особенностью полевого транзистора является то, что на проводимость канала оказывает влияние как управляющее напряжение Uзи, так и напряжение Uси. При Uси = 0 выходной ток Iс = 0. При Uси > 0 (Uзи = 0) через канал протекает ток Ic, в результате чего создается падение напряжения, возрастающее в направлении стока. Суммарное падение напряжения участка исток-сток равно Uси. Повышение напряжения Uсивызывает увеличение падения напряжения в канале и уменьшение его сечения, а следовательно, уменьшение проводимости канала. При некотором напряжении Uси происходит сужение канала, при котором границы обоих р-n- переходов смыкаются и сопротивление канала становится высоким. Такое напряжение Uси называют напряжением перекрытия или напряжением насыщения Uси нас. При подаче на затвор обратного напряжения Uзи происходит дополнительное сужение канала, и его перекрытие наступает при меньшем значении напряжения Uси нас. В рабочем режиме используются пологие (линейные) участки выходных характеристик.

Стоко – затворная характеристика полевого транзистора показывает зависимость тока Iс от напряжения Uзи при фиксированном напряжении Uси:Ic = f(Uси) при Uси = const

Полупроводниковые материалы. Их виды и основные характеристики

Анализ факторов, определяющих проводимость полупроводников. Классификация полупроводниковых материалов. Особенности применения неорганических кристаллических полупроводниковых материалов. Основные электрофизические свойства полупроводниковых материалов.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный технологический институт

Кафедра: Кафедра химической нанотехнологии и материалов электронной техники

Дисциплина: Введение в специальность

На тему: Полупроводниковые материалы. Их виды и основные характеристики

Выполнил Студент 125 группы Амосов Д.О.

Преподаватель: доктор химических наук,

профессор, Ежовский Юрий Константинович

Полупроводнимк — материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.

Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.

В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его, 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.

Полупроводниковые материалы — вещества с чётко выраженными свойствами полупроводников в широком интервале температур, включая комнатную (

300 К), являющиеся основой для создания полупроводниковых приборов. Удельная электрическая проводимость у при 300 К составляет 104?10

10 Ом?1·см?1 и увеличивается с ростом температуры. Для полупроводниковых материалов характерна высокая чувствительность электрофизических свойств к внешним воздействиям (нагрев, облучение, деформации и т. п.), а также к содержанию структурных дефектов и примесей.

Виды полупроводниковых материалов

В различных отраслях техники и производства применяемые полупроводниковые материалы условно можно разбить на ряд групп:

· кристаллы – германий, кремний, селен и др.;

· оксиды металлов – оксиды титана, цинка, вольфрама, никеля, молибдена, кадмия, меди и др.;

· сульфиды – химические соединения, для их получения используют серу;

· селениды – химические соединения, в их состав входит селен;

· соединения галлия, индия с фосфором, алюминия, сурьмой, мышьяком и др.; кое-какие органические материалы (полимеры).

Несколько десятилетий назад в электротехнике начали применять селеновые и меднозакисные полупроводниковые материалы для изготовления выпрямителей переменного тока. Широкое применение в дальнейшем нашли германиевые и кремниевые вентили. Применение полупроводниковых материалов на кремниевой основе особенно перспективно: неуправляемые и управляемые вентили в преобразовательной технике, интегральные схемы, нередко используются в радиоэлектронной промышленности для изготовления миниатюрных диодов, резисторов, транзисторов, конденсаторов, высоковольтные выпрямители для линий электропередач постоянного тока.

Связи в радиоэлектронике и электротехнике применяют нелинейные резисторы, называемые вариаторами. Их электрическое сопротивление не остается постоянным, а изменяется от приложенного к ним напряжения. От этого ток, проходящий по ним, растет нелинейно с увеличением напряжения. Например, по ряду причин в линиях электропередачи может значительно повыситься напряжение по сравнению с номинальным напряжением, что в свою очередь вызовет выход из строя аппаратуры управления и перерыв в электроснабжении потребителей – это явление называют перенапряжением. Разрядники позволяют избежать отрицательных последствий перенапряжений, изготовленные из нелинейных резисторов, которые устанавливают в линиях электропередачи. Также для изготовления стабилизаторов различного напряжения используют нелинейные резисторы, в ряде областей техники и регулирования частоты вращения электродвигателей, связанных с применением тока высокой частоты.

Термисторы – терморезисторы изготавливают из полупроводниковых материалов – железа, оксидов меди, кобальта, цинка, марганца. Их главная особенность заключается в том, что они располагают большим по модулю отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.

Терморезисторы также широко применяют в различных устройствах автоматики и радиоэлектроники. Теллуриды, сульфиды, селениды, применяют для изготовления фотоэлементов и фоторезисторов, так как от освещенности в значительной мере зависит их сопротивление.

Также используют кремний и германий для изготовления фоторезисторов.

Для создания солнечных батарей применяют кремний – объединенных между собой фотоэлементов, преобразующих энергию солнечного света в электрическую. Большое применение солнечных батарей находят в космонавтике.

Кристаллические полупроводниковые материалы

Наибольшее практическое применение находят неорганические кристаллические полупроводниковые материалы, которые по химическому составу разделяются на следующие основные группы.

Ge, Si, углерод (алмаз и графит)

В, б-Sn (серое олово), Те, Se.

Важнейшие представители этой группы — Ge и Si имеют кристаллическую решётку типа алмаза (алмазоподобны). Являются непрямозонными полупроводниками; образуют между собой непрерывный ряд твёрдых расплавов, также обладающих полупроводниковыми свойствами.

Соединения типа AIIIBV элементов III и V группы периодической системы имеют в основном кристаллическую структуру типа сфалерита. Связь атомов в кристаллической решётке носит преимущественно ковалентный характер с некоторой долей (до 15 %) ионной составляющей. Плавятся конгруэнтно (без изменения состава). Обладают достаточно узкой областью гомогенности, то есть интервалом составов, в котором в зависимости от параметров состояния (температуры, давления и др.) преимуществ. тип дефектов может меняться, а это приводит к изменению типа проводимости (n, р) и зависимости удельной электрической проводимости от состава.

Важнейшие представители этой группы: GaAs, InP, InAs, InSb, GaN, являющиеся прямозонными полупроводниками, и GaP, AlAs — непрямозонные полупроводники. Многие полупроводниковые материалы типа АIIIВV образуют между собой непрерывный ряд твёрдых расплавов — тройных и более сложных (GaxAl1-xAs, GaAsxP1-x, GaxIn1-xP, GaxIn1-xAsyP1-y и т. п.), также являющихся важными.

Соединения элементов VI группы (О, S, Se, Те) с элементами I–V групп периодической системы, а также с переходными металлами и РЗЭ. В обширной группе этих полупроводниковых материалов наибольший интерес представляют соединения типа AIIBVI с кристаллической структурой типа сфалерита или вюрцита, реже типа NaCl. Связь между атомами в решётке носит ковалентно-ионный характер (доля ионной составляющей достигает 45-60 %). Имеют большую, чем у полупроводниковых материалов типа AIIIBV, протяженность области гомогенности. Для соединений типа AIIBVI характерен полиморфизм и наличие политипов кубической и гексагональной модификаций. Являются в основном прямозонными полупроводниками. Важнейшие представители этой группы полупроводниковых материалов — CdTe, CdS, ZnTe, ZnSe, ZnO, ZnS. Многие соединения типа AIIBVI образуют между собой непрерывный ряд твёрдых расплавов, характерными представителями которых являются CdxHg1-xTe, CdxHg1-xSe, CdTexSe1-x. Физические свойства соединений типа AIIBVI в значительной мере определяются содержанием собственных точечных дефектов структуры, имеющих низкую энергию ионизации и проявляющих высокую электрическую активность.

Тройные соединения типа AIIBIVCV2 кристаллизуются в основном в решётке халькопирита. Обнаруживают магнитное и электрическое упорядочение. Образуют между собой твёрдые расплавы. Во многом являются электронными аналогами соединений типа АIIIВV.

Типичные представители: CuInSe2, CdSnAs2, CdGeAs2, ZnSnAs2.

Карбид кремния SiC — единственное химическое соединение, образуемое элементами IV группы. Обладает полупроводниковыми свойствами во всех структурных модификациях: в-SiC (структура сфалерита); б-SiC (гексагональная структура), имеющая около 15 разновидностей. Один из наиболее тугоплавких и широкозонных среди широко используемых полупроводниковых материалов.

Некристаллические полупроводниковые материалы

Типичными представителями этой группы являются стеклообразные полупроводниковые материалы — халькогенидные и оксидные. К первым относятся сплавы Tl, P, As, Sb, Bi с S, Se, Те, характеризующиеся широким диапазоном значений удельной электрической проводимости, низкими температурами размягчения, устойчивостью к кислотам и щелочам. Типичные представители: As2Se3-As2Te3, Tl2Se-As2Se3. Оксидные стеклообразные полупроводниковые материалы имеют состав типа V2O5-P2O5-ROx (R-металл I–IV гр.) и характеризуются удельной электрической проводимостью 10?4?10?5 Ом?1см?1. Все стеклообразные полупроводниковые материалы имеют электронную проводимость, обнаруживают фотопроводимость и термоэдс. При медленном охлаждении обычно превращаются в кристаллические полупроводниковые материалы. Другим важным классом некристаллических полупроводниковые материалы являются твёрдые расплавы ряда аморфных полупроводников с водородом, так называемые гидрированные некристаллические полупроводниковые материалы: a-Si:H, a-Si1-xCx:H, a-Si1-xGex:H, a-Si1-xNx:H, a-Si1-xSnx:H. Водород обладает высокой растворимостью в этих полупроводниковых материалах и замыкает на себя значительное количество «болтающихся» связей, характерных для аморфных полупроводников. В результате резко снижается плотность энергетических состояний в запрещенной зоне и появляется возможность создания р-n-переходов. Полупроводниковыми материалами являются также ферриты, сегнетоэлектрики и пьезоэлектрики.

Основные электрофизические свойства

полупроводниковый материал проводимость кристаллический

Основные электрофизические свойства важнейших полупроводниковых материалов (ширина запрещённой зоны, подвижность носителей тока, температура плавления и т. д.) представлены в табл. 1. Ширина запрещенной зоны DEg является одним из фундаментальных параметров полупроводниковых материалов. Чем больше DEg, тем выше допустимая рабочая температура и тем более сдвинут в коротковолновую область спектра рабочий диапазон приборов, создаваемых на основе соответствующих полупроводниковых материалов. Например, максимальная рабочая температура германиевых приборов не превышает 50-60 °C, для кремниевых приборов она возрастает до 150–170 °C, а для приборов на основе GaAs достигает 250–300 °C; длинноволновая граница собственной фотопроводимости составляет: для InSb — 5,4 мкм (77 К), InAs — 3,2 мкм (195 К), Ge — 1,8 мкм (300 К), Si — 1 мкм (300 К), GaAs — 0,92 мкм (300 К). Величина DEg хорошо коррелирует с температурой плавления. Обе эти величины возрастают с ростом энергии связи атомов в кристаллической решётке, поэтому для широкозонных полупроводниковых материалов характерны высокие температуры плавления, что создает большие трудности на пути создания чистых и структурно совершенных монокристаллов таких полупроводниковых материалов. Подвижность носителей тока в значительной мере определяет частотные характеристики полупроводниковых приборов. Для создания приборов сверхвысокочастотного диапазона необходимы полупроводниковые материалы, обладающие высокими значениями m. Аналогичное требование предъявляется и к полупроводниковым материалам, используемым для изготовления фотоприемников. Температура плавления и период кристаллической решётки, а также коэффициент линейного термического расширения играют первостепенную роль при конструировании гетероэпитаксиальных композиций. Для создания совершенных гетероструктур желательно использовать полупроводниковые материалы, обладающие одинаковым типом кристаллической решётки и минимальными различиями в величинах её периода и коэффициентах термического расширения. Плотность полупроводниковых материалов определяет такие важные технические характеристики, как удельный расход материала, масса прибора.

1. Горелик С. С., Дашевcкий М. Я., Материаловедение полупроводников и диэлектриков, М., 1988.

2. *Мильвидский М. Г., Полупроводниковые материалы в современной электронике, М., 1986.

3. *Пасынков В. В., Сорокин В. С, Материалы электронной техники, 2 изд., М., 1986.

4. *Нашельский А. Я., Технология полупроводниковых материалов, М., 1987.

5. *Мейлихов Е. 3., Лазарев С. Д., Электрофизические свойства полупроводников. (Справочник физических величин), М., 1987.

Типы полупроводников. Свойства, практическое применение.

Здравствуйте, дорогие друзья. В этой статье речь пойдет о полупроводниках. Мы рассмотрим типы полупроводников, их свойства и практическое применение.

Почему именно полупроводниковый диод, транзистор или тиристор? Потому, что основу этих радиокомпонентов составляют полупроводники – вещества, способные, как проводить электрический ток, так и препятствовать его прохождению.

По своим электрическим свойствам полупроводники занимают среднее место между проводниками и непроводниками электрического тока.

Самым известным полупроводником является кремний (Si). Но, кроме него, есть много других. Примером могут служить такие природные полупроводниковые материалы, как цинковая обманка (ZnS), куприт (Cu2O), галенит (PbS) и многие другие. Семейство полупроводников, включая полупроводники, синтезированные в лабораториях, представляет собой один из наиболее разносторонних классов материалов, известных человеку.

Характеристика полупроводников

Из 104 элементов таблицы Менделеева 79 являются металлами, 25 – неметаллами, из которых 13 химических элементов обладают полупроводниковыми свойствами и 12 – диэлектрическими. Основное отличие полупроводников состоит в том, что их электропроводность значительно возрастает при повышении температуры. При низких температурах они ведут себя подобно диэлектрикам, а при высоких — как проводники. Этим полупроводники отличаются от металлов: сопротивление металла растёт пропорционально увеличению температуры.

Другим отличием полупроводника от металла является то, что сопротивление полупроводника падает под действием света, в то время как на металл последний не влияет. Также меняется проводимость полупроводников при введении незначительного количества примеси.

Полупроводники встречаются среди химических соединений с разнообразными кристаллическими структурами. Это могут быть такие элементы, как кремний и селен, или двойные соединения, как арсенид галлия. Многие органические соединения, например полиацетилен (СН)n, – полупроводниковые материалы. Некоторые полупроводники проявляют магнитные (Cd1-xMnxTe) или сегнетоэлектрические свойства (SbSI). Другие при достаточном легировании становятся сверхпроводниками (GeTe и SrTiO3). Многие из недавно открытых высокотемпературных сверхпроводников имеют неметаллические полупроводящие фазы. Например, La2CuO4 является полупроводником, но при образовании сплава с Sr становится сверхроводником (La1-xSrx)2CuO4.

Учебники физики дают полупроводнику определение как материалу с электрическим сопротивлением от 10-4 до 107 Ом·м. Возможно и альтернативное определение. Ширина запрещённой зоны полупроводника — от 0 до 3 эВ. Металлы и полуметаллы – это материалы с нулевым энергетическим разрывом, а вещества, у которых она превышает З эВ, называют изоляторами. Есть и исключения. Например, полупроводниковый алмаз имеет запрещённую зону шириной 6 эВ, полуизолирующий GaAs – 1,5 эВ. GaN, материал для оптоэлектронных приборов в синей области, имеет запрещённую зону шириной 3,5 эВ.

Типы полупроводников, энергетический зазор

Валентные орбитали атомов в кристаллической решётке разделены на две группы энергетических уровней – свободную зону, расположенную на высшем уровне и определяющую электропроводность полупроводников, и валентную зону, расположенную ниже. Эти уровни, в зависимости от симметрии решётки кристалла и состава атомов, могут пересекаться или располагаться на расстоянии друг от друга. В последнем случае между зонами возникает энергетический разрыв или, другими словами, запрещённая зона.

Расположение и заполнение уровней определяет электропроводные свойства вещества. По этому признаку вещества делят на проводники, изоляторы и полупроводники. Ширина запрещённой зоны полупроводника варьируется в пределах 0,01–3 эВ, энергетический зазор диэлектрика превышает 3 эВ. Металлы из-за перекрытия уровней энергетических разрывов не имеют.

Полупроводники и диэлектрики, в противовес металлам, имеют заполненную электронами валентную зону, а ближайшая свободная зона, или зона проводимости, отгорожена от валентной энергетическим разрывом – участком запрещённых энергий электронов.

Типы полупроводников, ширина запрещенной зоны

В диэлектриках тепловой энергии либо незначительного электрического поля недостаточно для совершения скачка через этот промежуток, электроны в зону проводимости не попадают. Они не способны передвигаться по кристаллической решётке и становиться переносчиками электрического тока.

Чтобы возбудить электропроводимость, электрону на валентном уровне нужно придать энергию, которой бы хватило для преодоления энергетического разрыва. Лишь при поглощении количества энергии, не меньшего, чем величина энергетического зазора, электрон перейдёт из валентного уровня на уровень проводимости.

В том случае, если ширина энергетического разрыва превышает 4 эВ, возбуждение проводимости полупроводника облучением либо нагреванием практически невозможно – энергия возбуждения электронов при температуре плавления оказывается недостаточной для прыжка через зону энергетического разрыва. При нагреве кристалл расплавится до возникновения электронной проводимости. К таким веществам относится кварц (dE = 5,2 эВ), алмаз (dE = 5,1 эВ), многие соли.

Примесная и собственная проводимость полупроводников

Чистые полупроводниковые кристаллы имеют собственную проводимость. Такие полупроводники именуются собственными. Собственный полупроводник содержит равное число дырок и свободных электронов. При нагреве собственная проводимость полупроводников возрастает. При постоянной температуре возникает состояние динамического равновесия количества образующихся электронно-дырочных пар и количества рекомбинирующих электронов и дырок, которые остаются постоянными при данных условиях.

Наличие примесей оказывает значительное влияние на электропроводность полупроводников. Добавление их позволяет намного увеличить количество свободных электронов при небольшом числе дырок и увеличить количество дырок при небольшом числе электронов на уровне проводимости.

Примесные полупроводники – это проводники, обладающие примесной проводимостью. Примеси, которые с лёгкостью отдают электроны, называются донорными. Донорными примесями могут быть химические элементы с атомами, валентные уровни которых содержат большее количество электронов, чем атомы базового вещества. Например, фосфор и висмут – это донорные примеси кремния.

Энергия, необходимая для прыжка электрона в область проводимости, носит название энергии активизации. Примесным полупроводникам необходимо намного меньше ее, чем основному веществу. При небольшом нагреве либо освещении освобождаются преимущественно электроны атомов примесных полупроводников. Место покинувшего атом электрона занимает дырка. Но рекомбинации электронов в дырки практически не происходит. Дырочная проводимость донора незначительна. Это происходит потому, что малое количество атомов примеси не позволяет свободным электронам часто приближаться к дырке и занимать её. Электроны находятся около дырок, но не способны их заполнить по причине недостаточного энергетического уровня.

Типы полупроводников, собственная проводимость

Незначительная добавка донорной примеси на несколько порядков увеличивает число электронов проводимости по сравнению с количеством свободных электронов в собственном полупроводнике. Электроны здесь – основные переносчики зарядов атомов примесных полупроводников. Эти вещества относят к полупроводникам n-типа.

Примеси, которые связывают электроны полупроводника, увеличивая в нём количество дырок, называют акцепторными. Акцепторными примесями служат химические элементы с меньшим числом электронов на валентном уровне, чем у базового полупроводника. Бор, галлий, индий – акцепторные примеси для кремния.

Одноэлементные полупроводники

Самым распространённым полупроводником является, конечно, кремний. Вместе с германием он стал прототипом широкого класса полупроводников, обладающих подобными структурами кристалла.

Структура кристаллов Si и Ge та же, что у алмаза и α-олова. В ней каждый атом окружают 4 ближайших атома, которые образуют тетраэдр. Такая координация называется четырехкратной. Кристаллы с тетрадрической связью стали базовыми для электронной промышленности и играют ключевую роль в современной технологии. Некоторые элементы V и VI группы таблицы Менделеева также являются полупроводниками. Примеры полупроводников этого типа – фосфор (Р), сера (S), селен (Se) и теллур (Те). В этих полупроводниках атомы могут иметь трехкратную (Р), двухкратную (S, Se, Те) или четырехкратную координацию. В результате подобные элементы могут существовать в нескольких различных кристаллических структурах, а также быть получены в виде стекла. Например, Se выращивался в моноклинной и тригональной кристаллических структурах или в виде стекла (которое можно также считать полимером).

Типы полупроводников, кремний

• Алмаз обладает отличной термической проводимостью, превосходными механическими и оптическими характеристиками, высокой механической прочностью. Ширина энергетического разрыва — dE = 5,47 эВ.
• Кремний – полупроводник, используемый в солнечных батареях, а в аморфной форме – в тонкоплёночных солнечных батареях. Является наиболее используемым полупроводником в фотоэлементах, прост в производстве, обладает хорошими электрическими и механическими качествами. dE = 1,12 эВ.
• Германий – полупроводник, используемый в гамма-спектроскопии, высокоэффективных фотоэлементах. Использовался в первых диодах и транзисторах. Требует меньше очистки, чем кремний. dE = 0,67 эВ.
• Селен – полупроводник, который применяется в селеновых выпрямителях, обладающих высокой радиационной устойчивостью и способностью к самовосстановлению.

Двухэлементные соединения

Свойства полупроводников, образуемых элементами 3 и 4 групп таблицы Менделеева, напоминают свойства веществ 4 группы. Переход от 4 группы элементов к соединениям 3–4 гр. делает связи частично ионными по причине переноса заряда электронов от атома 3 группы к атому 4 группы. Ионность меняет свойства полупроводников. Она является причиной увеличения кулоновского межионного взаимодействия и энергии энергетического разрыва зонной структуры электронов. Пример бинарного соединения этого типа – антимонид индия InSb, арсенид галлия GaAs, антимонид галлия GaSb, фосфид индия InP, антимонид алюминия AlSb, фосфид галлия GaP.

Ионность возрастает, а значение её еще больше растёт в соединениях веществ 2—6 групп, таких как селенид кадмия, сульфид цинка, сульфид кадмия, теллурид кадмия, селенид цинка. В итоге у большинства соединений 2—6 групп запрещённая зона шире 1 эВ, кроме соединений ртути. Теллурид ртути – полупроводник без энергетического зазора, полуметалл, подобно α-олову.

Полупроводники 2-6 групп с большим энергетическим зазором находят применение в производстве лазеров и дисплеев. Бинарные соединения 2– 6 групп со суженным энергетическим разрывом подходят для инфракрасных приемников. Бинарные соединения элементов 1–7 групп (бромид меди CuBr, иодид серебра AgI, хлорид меди CuCl) по причине высокой ионности обладают запрещённой зоной шире З эВ. Они фактически не полупроводники, а изоляторы. Нитрид галлия — соединение 3-5 групп с широким энергетическим зазором, нашёл применение в полупроводниковых лазерах и светодиодах, работающих в голубой части спектра.

Типы полупроводников, полупроводниковые материалы

• GaAs, арсенид галлия – второй по востребованности после кремния полупроводник, обычно используемый в качестве подложки для других проводников, например, GaInNAs и InGaAs, в ИК-сетодиодах, высокочастотных микросхемах и транзисторах, высокоэффективных фотоэлементах, лазерных диодах, детекторах ядерного излечения. dE = 1,43 эВ, что позволяет повысить мощность приборов по сравнению с кремнием. Хрупок, содержит больше примесей, сложен в изготовлении.
• ZnS, сульфид цинка – цинковая соль сероводородной кислоты с диапазоном запрещённой зоны 3,54 и 3,91 эВ, используется в лазерах и в качестве люминофора.
• SnS, сульфид олова – полупроводник, используемый в фоторезисторах и фотодиодах, dE= 1,3 и 10 эВ.

Типы полупроводников, оксиды

Оксиды металлов преимущественно являются прекрасными изоляторами, но есть и исключения. Примеры полупроводников этого типа – оксид никеля, оксид меди, оксид кобальта, двуокись меди, оксид железа, оксид европия, оксид цинка. Так как двуокись меди существует в виде минерала куприта, её свойства усиленно исследовались. Процедура выращивания полупроводников этого типа еще не совсем понятна, поэтому их применение пока ограничено. Исключение составляет оксид цинка (ZnO), соединение 2—6 групп, применяемый в качестве преобразователя и в производстве клеящих лент и пластырей.

Положение кардинально изменилось после того, как во многих соединениях меди с кислородом была открыта сверхпроводимость. Первым высокотемпературным сверхпроводником, открытым Мюллером и Беднорцем, стало соединение, основанное на полупроводнике La2CuO4 с энергетическим зазором 2 эВ. Замещая трёхвалентный лантан двухвалентным барием или стронцием, в полупроводник вводятся переносчики заряда дырки. Достижение необходимой концентрации дырок превращает La2CuO4 в сверхпроводник. В данное время наибольшая температура перехода в сверхпроводящее состояние принадлежит соединению HgBaCa2Cu3O8. При высоком давлении её значение составляет 134 К.

ZnO, оксид цинка, используется в варисторах, голубых светодиодах, датчиках газа, биологических сенсорах, покрытиях окон для отражения инфракрасного света, как проводник в ЖК-дисплеях и солнечных батареях. dE=3.37 эВ.

Слоистые кристаллы

Двойные соединения, подобные дииодиду свинца, селениду галлия и дисульфиду молибдена, отличаются слоистым строением кристалла. В слоях действуют ковалентные связи значительной силы, намного сильнее ван-дер-ваальсовских связей между самими слоями. Полупроводники такого типа интересны тем, что электроны ведут себя в слоях квази-двумерно. Взаимодействие слоёв изменяется введением сторонних атомов – интеркаляцией.

Типы полупроводников, слоистые кристаллы

MoS2, дисульфид молибдена применяется в высокочастотных детекторах, выпрямителях, мемристорах, транзисторах. dE=1,23 и 1,8 эВ.

Органические полупроводники

Примеры полупроводников на основе органических соединений – нафталин, полиацетилен (CH2)n, антрацен, полидиацетилен, фталоцианиды, поливинилкарбазол. Органические полупроводники обладают преимуществом перед неорганическими: им легко придавать нужные качества. Вещества с сопряжёнными связями вида –С=С–С=, обладают значительной оптической нелинейностью и, благодаря этому, применяются в оптоэлектронике. Кроме того, зоны энергетического разрыва органических полупроводников изменяются изменением формулы соединения, что намного легче, чем у обычных полупроводников. Кристаллические аллотропы углерода фуллерен, графен, нанотрубки – тоже полупроводниками.

• Фуллерен имеет структуру в виде выпуклого замкнутого многогранника из чётного количества атомов углеорода. А легирование фуллерена С60 щелочным металлом превращает его в сверхпроводник.
• Графен образован одноатомным слоем углерода, соединённого в двумерную гексагональную решётку. Обладает рекордной теплопроводностью и подвижностью электронов, высокой жёсткостью
• Нанотрубки представляют собой свернутые в трубку пластины графита, имеющие несколько нанометров в диаметре. Эти формы углерода имеют большую перспективу в наноэлектронике. В зависимости от сцепления могут проявлять металлические или полупроводниковые качества.

Магнитные полупроводники

Соединения с магнитными ионами европия и марганца обладают любопытными магнитными и полупроводниковыми свойствами. Примеры полупроводников этого типа – сульфид европия, селенид европия и твёрдые растворы, подобные Cd1-x­MnxTe. Содержание магнитных ионов влияет на то, как в веществах проявляются такие магнитные свойства, как антиферромагнетизм и ферромагнетизм. Полумагнитные полупроводники – это твёрдые магнитные растворы полупроводников, которые содержат магнитные ионы в небольшой концентрации. Такие твёрдые растворы обращают на себя внимание своей перспективностью и большим потенциалом возможных применений. Например, в отличие от немагнитных полупроводников, в них можно достигнуть в миллион раз большего фарадеевского вращения.

Сильные магнитооптические эффекты магнитных полупроводников позволяют использовать их для оптической модуляции. Перовскиты, подобные Mn0,7Ca0,3O3, своими свойствами превосходят переход металл-полупроводник, прямая зависимость которого от магнитного поля имеет следствием явление гигантской магнето-резистивности. Применяются в радиотехнических, оптических приборах, которые управляются магнитным полем, в волноводах СВЧ-устройств.

Разнообразие полупроводниковых материалов

Помимо упомянутых выше полупроводниковых веществ, есть много других, которые не попадают ни под один из перечисленных типов. Соединения элементов по формуле 1-3-52 (AgGaS2) и 2-4-52 (ZnSiP2) образуют кристаллы в структуре халькопирита. Связи соединений тетраэдрические, аналогично полупроводникам 3–5 и 2–6 групп с кристаллической структурой цинковой обманки. Соединения, которые образуют элементы полупроводников 5 и 6 групп (подобно As2Se3), – полупроводниковые в форме кристалла или стекла. Халькогениды висмута и сурьмы используются в полупроводниковых термоэлектрических генераторах. Свойства полупроводников этого типа чрезвычайно интересны, но они не обрели популярность по причине ограниченного применения. Однако то, что они существуют, подтверждает наличие ещё до конца не исследованных областей физики полупроводников.

Видео, типы полупроводников

2.2. Классификация полупроводниковых материалов

Классификацию полупроводниковых материалов проводят по различным признакам. Наиболее широко применяется классификация, в основу которой положен химический состав материала. В соответствии с этим различают органические и неорганические полупроводники. В свою очередь неорганические полупроводниковые материалы делятся на простые и сложные . Простыми называют полупроводники, состоящие, в основном, из атомов одного химического элемента, например: бор В, кремний Si, фосфор Р, сера α–S, германий Gе, мышьяк Аs, серое олово α–Sn, сурьма β–Sb, селен Sе, теллур Те. Сложными называют полупроводники, состоящие из атомов двух или большего числа химических элементов, например: соединения типа A IV – В IV (сульфид свинца РbS, теллурид свинца РbТе); A II –В IV (сульфид кадмия СоdS; селенид кадмия СdSe; окись цинка ZnO; сульфид цинка ZnS); A III –В V (антимонид алюминия АlSb; антимонид галлия GаР; арсенид галлия ПаAs; фосфид галлия GаР; антимонид индия InSb; арсенид индия InAs; фосфид индия InР).

Кроме неорганических веществ полупроводниковыми свойствами обладают также и некоторые органические вещества, такие как бензол, нафталин и т. д.

В зависимости от агрегатного состояния вещества различают кристаллические, аморфные и жидкие полупроводники.

Иногда в качестве отдельных классов рассматривают очень узкозонные полупроводники, оксидные полупроводники, магнитные полупроводники и т.д., учитывая специфичность физических процессов, в них протекающих.

2.2.1. Собственные и примесные полупроводники

Собственный полупроводник – полупроводник, не содержащий примесей или с концентрацией примеси настолько малой, что она не оказывает существенного влияния на удельную проводимость полупроводника. При температуре абсолютного нуля в собственном полупроводнике отсутствуют носители заряда, так как валентная зона полностью занята электронами (там нет дырок), а в зоне проводимости нет электронов. При температурах выше абсолютного нуля некоторые электроны валентной зоны могут быть переброшены в зону проводимости – возможна тепловая генерация пар носителей заряда, в зоне проводимости передаются свободные электроны, а в валентной зоне –дырки.

В каждом случае возбуждения в собственном полупроводнике одновременно создаются два носителя заряда с противоположными знаками.

Энергия, необходимая для разрыва ковалентной связи и образования пар свободных носителей заряда, определяется шириной запрещенной зоны собственного полупроводника Е. При отсутствии внешнего электрического поля дырка, как и электрон, беспорядочно перемещается (мигрирует) по кристаллу. Миграция дырки осуществляется за счет поочередного перехода электронов под действием тепловых колебаний решетки из одной связи в другую, т. е. за счет поочередного перемещения валентных электронов в валентной зоне. Подвижности электронов и дырок не одинаковы. Электроны и дырки обладают различной инерционностью при движении в поле кристаллической решетки полупроводника, т. е. они отличаются различными эффективными массами. Эффективная масса носителя заряда обратно пропорциональна ширине той зоны, в которой он находится. Так как ширина разрешенных зон возрастает по мере увеличения энергии, зона проводимости обычно бывает шире валентной зовы. Этим и объясняется то, что эффективная масса дырок больше, чем электронов. Следовательно, собственная электропроводность полупроводников имеет слабо преобладающий электронный характер.

В качестве примера собственного полупроводника рассмотрим монокристаллы кремния и германия, являющиеся элементами IV группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева, ширина запрещенной зоны которых составляет при 300 К 1,16 и 0,74 эВ соответственно.

Германий имеет более низкую температуру плавления (937 °С) по сравнению с кремнием (1420°С), его легче приготовлять и очищать, поэтому он широко использовался в большинстве первых твердотельных электронных приборов. Однако к настоящему времени его почти полностью заменил более распространенный в природе кремний.

В твердом состоянии эти материалы имеют кристаллическую решетку типа алмаза – пространственная симметрия O h 5 (Fd3m). В этой структуре каждый атом связан с четыPbмя другими атомами ковалентной связью (структура

внешней оболочки кремния 3s 2 3p 2 ).; германия–4s 2 4p 2 ). На рис 2.1 приведено схематическое изображение кристаллической решетки кремния (германия)

Процесс образования электронов и дырок в полупроводнике существенно отличается от рассмотренного выше при наличии небольшой концентрации дефектов кристаллической решетки, образующих локальные энергетические уровни, располагающиеся внутри запрещенной зоны полупроводника. Концентрация этих дефектов должна быть очень малой, чтобы исключить возможность их взаимодействия. Обычно она не превышает величины 0,01 атомных процента. При большой концентрации дефектов соответствующие им энергетические уровни могут образовать зону, лежащую в запрещенной зоне основного вещества. Роль таких дефектов в простых полупроводниках, как правило, играют чужеродные атомы примесей, а в сложных – и отклонения от стехиометрического (соответствующего химической формуле) состава. Локальные уровни, образованные примесями, называются примесными уровнями. Примеси могут быть донорного и акцепторного типа. Примесный атом или дефект кристаллической решетки, создающий в запрещенной зоне энергетический уровень, занятый в невозбужденном состоянии электроном и способный в возбужденном состоянии отдать электрон в зону проводимости, называется донором. Для кристаллов германия и кремния донорами могут быть элементы V группы таблицы Д. И. Менделеева – мышьяк, фосфор, сурьма. При внедрении в решетку кремния (германия) атомов, например, фосфора атом примеси замещает в ней атом основного элемента и образует четыре ковалентные связи с окружающими его атомами. Пятый валентный электрон атома фосфора связан с ним силами кулоновского взаимодействия. Энергия этой связи невелика и составляет величину примерно 0,05эВ. Это означает, что энергетический уровень атома фосфора, на котором располагается валентный электрон, лежит в запрещенной зоне на расстоянии Е g

0,05эВ от дна зоны проводимости. Поэтому уже при комнатной температуре T=300 К будет происходить ионизация примесных атомов за счет отрыва пятого валентного электрона.

Минимальная энергия, необходимая для переброса электрона примеси в зону проводимости с донорного уровня, называется энергией активизации донора.

Таким образом, полупроводник с донорной примесью имеет концентрацию электронов в зоне проводимости во много раз большую, чем концентрация

дырок в валентной зоне. Такой полупроводник называют электронным полупроводником или полупроводником n-типа.

Примесный атом или дефект кристаллической решетки, создающий в запрещенной зоне энергетический уровень, свободный от электрона в невозбужденном состоянии и способный захватить электрон из валентной зоны в возбужденном состоянии, называется акцептором.

Для кристаллов германия и кремния акцепторами могут быть элементы III группы таблицы Д. И. Менделеева – атомы бора, алюминия, индия. Энергия их активизации E A составляет 0,01–0,7 эВ. Энергетические уровни акцепторных примесей располагаются вблизи от потолка валентной зоны. Если на место одного из атомов полупроводника в какой-либо узел решетки попадает трехвалентный атом примеси, то для образования ковалентной связи между атомами примеси и атомами основного вещества не хватает одного электрона. Незавершенная связь в результате тепловых колебаний решетки может быть заполнена электроном, участвующим в образовании соседней связи, которая, в свою очередь, оказалась незавершенной. Таким образом, в качестве активного переносчика заряда в этом случае служит вакансия электрона–дырка. Полупроводники с акцепторной примесью имеют концентрацию дырок в валентной зоне во много раз большую, чем концентрация электронов в зоне проводимости. Такой полупроводник называют дырочным или полупроводником р-типа.

Электроны в электронных, а дырки в дырочных полупроводниках называются основными носителями заряда, а носители заряда – противоположного знака – неосновными носителями. Полупроводниковые материалы, электрические характеристики которых определяются донорными или акцепторными примесями, называют примесными полупроводниками. Полупроводники, у которых концентрация доноров равна концентрации акцепторов, называют скомпенсированными.

2.2.2. Одноатомные полупроводники Кремний состоит из трех стабильных изотопов:

28 14 Si (92,27%), 29 14 Si (4,68%) и 30 14 S i (3,05%).

Кремний после кислорода – самый распространенный элемент в земной коре. В свободном состоянии кремний в природе не встречается. Наиболее распространенными его соединениями являются оксид кремния (IV) SiO 2 и соли кремниевых кислот – силикаты.

Вот состав некоторых природных силикатов:

полевой шпат К 2 О× Аl 2 O 3 × 6SiO 2 ,

асбест 3MgО× 2SiO 2 × 2H 2 O, cлюда К 2 О× 3Аl 2 O 3 × 6SiO 2 × 2H 2 O, каолинит 3Аl 2 O 3 × 2SiO 2 × 2H 2 O.

Получение. В промышленности кремний получают восстановлением SiO 2 коксом в электрических печах. В лаборатории в качестве восстановителей используют магний или алюминий. Наиболее чистый кремний получают восстановлением тетрахлорида кремния парами цинка.

Для атомов кремния является характерным состояние sp 3 -гибридизации орбиталей. В соединениях обычно проявляет себя как четырёхвалентный элемент со степенью окисления +4 или −4. Встречаются двухвалентные соединения, например, SiO.

При нормальных условиях активно реагирует только с газообразным фтором , при этом образуется летучий тетрафторид кремния SiF 4 . При нагревании до температуры свыше 400–500 °C кремний реагирует с

кислородом с образованием SiO 2 , с хлором, бромом и иодом – с

образованием соответствующих легко летучих тетрагалогенидов и, возможно, галогенидов более сложного состава.

С азотом кремний при температуре около 1000 °C образует нитрид Si 3 N 4 , с бором – термически и химически стойкие бориды SiB 3 , SiB 6 и SiB 12 .

При температурах свыше 1000 °C можно получить соединение кремния и углерода – карбид кремния SiC (карборунд), который характеризуется высокой твёрдостью и низкой химической активностью. При этом, расплав кремния (1415 °C) может длительное время контактировать с углеродом в виде крупных кусков плотноспечённого мелкозернистого графита изостатического прессования, практически не растворяя и никак не взаимодействуя с последним.

Кислоты (кроме смеси плавиковой HF и азотной HNO 3 ) на кремний не действуют. Однако он растворяется в гидроксидах щелочных металлов , образуя силикат и водород.

В реакциях с активными металлами , протекающих с образованием силицидов, кремний выступает в роли окислителя. При высоких температурах кремний восстанавливает многие металлы из их оксидов . С

водородом кремний непосредственно не реагирует, соединения кремния с водородом – силаны получают косвенным путем. Моносилан SiH 4 , ядовитый газ с неприятным запахом, самовоспламеняется на воздухе, выделяется при взаимодействии силицидов металлов с растворами кислот. Образующийся SiH 4 содержит примесь и других силанов, в частности, дисилана Si 2 H 6 и трисилана Si 3 H 8 , в которых имеется цепочка из атомов кремния, связанных между собой одинарными связями (–Si–Si–Si–).

Оксид кремния (IV) SiO 2 относится к кислотным оксидам. При сплавлении его с твердыми щелочами, основными оксидами и карбонатами образуются соли кремниевой кислоты . SiO 2 является ангидридом ряда кремниевых кислот:

SiO 2 × H 2 O, т. е. H 2 SiO 3 – метакремниевая кислота; SiO 2 × 2H 2 O, т. е. H 4 SiO 4 – ортокремниевая кислота;

Виды полупроводников

В промышленности и энергетической микроэлектронике широкое распространение получили различные виды полупроводников. С их помощью, одна энергия может превращаться в другую, без них не будут нормально работать многие электронные устройства. Существует большое количество типов данных элементов, в зависимости от принципа их работы, назначения, материала, конструктивных особенностей. Для того, чтобы понять порядок действия полупроводников, необходимо знать их основные физические свойства.

Свойства и характеристики полупроводников

Основные электрические свойства полупроводников позволяют рассматривать их, как нечто среднее, между стандартными проводниками и материалами, не проводящими электрический ток. Полупроводниковая группа включает в себя значительно больше разных веществ, чем общее количество проводников и диэлектриков.

Широкое распространение в электронике получили полупроводники, изготовленные из кремния, германия, селена и прочих материалов. Их основной характеристикой считается ярко выраженная зависимость от воздействия температуры. При очень низких температурах, сравнимых с абсолютным нулем, полупроводники приобретают свойства изоляторов, а при повышении температуры, их сопротивление уменьшается с одновременным повышением проводимости. Свойства этих материалов могут изменяться и под действием света, когда происходит значительное увеличение фотопроводности.

Полупроводники преобразуют световую энергию в электричество, в отличие от проводников, не обладающих этим свойством. Кроме того, увеличению электропроводности способствует введение в полупроводник атомов определенных элементов. Все эти специфические свойства позволяют использовать полупроводниковые материалы в различных сферах электроники и электротехники.

Виды и применение полупроводников

Благодаря своим качествам, все виды полупроводников разделяются на несколько основных групп.

Диоды. Включают в себя два кристалла из полупроводников, имеющих разную проводимость. Между ними образуется электронно-дырочный переход. Они производятся в различном исполнении, в основном, точечного и плоского типа. В плоских элементах, кристалл германия сплавлен с индием. Точечные диоды состоят из кристалла кремния и металлической иглы.

Транзисторы. Состоят из кристаллических полупроводников в количестве трех штук. Два кристалла обладают одинаковой проводимостью, а в третьем, проводимость имеет противоположное значение. Они называются коллектором, базой и эмиттером. В электронике, транзистор усиливает электрические сигналы.

Тиристоры. Представляют собой элементы, преобразующие электричество. Они имеют три электронно-дырочных перехода с вентильными свойствами. Их свойства позволяют широко использовать тиристоры в автоматике, вычислительных машинах, приборах управления.

Чем полупроводник отличается от изоляторов и проводников

Чем отличаются проводники от полупроводников

Применение полупроводников в радио- и электротехнике

Полевой транзистор – схема

Производство и использование электрической энергии

Коэффициент использования производственной мощности