Общие сведения и классификация полупроводников

Полупроводниковые материалы

 

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

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

 

Полупроводники классифицируют:

По химическому составу:

Неорганические

Органические

По структуре:

Кристаллические

Аморфные

По количеству элементов:

Простые

Бинарные

Сложные

По чистоте

Собственные

Примесные

Компенсированные

 

Особенность примесных:

Создание в запрещенной зоне дополнительных уровней разрешенных энергий.

 

Акцепторные примеси создают зоны находящиеся выше валентной.

Донорные примеси создают зоны проводимости ниже валентной.

 

 

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

 

Эи<∆Э=Эа

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

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

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

 

 

В.А.Х. p-n перехода:

 

 

Основные материалы используемые в ЭРМ: Si, Ge.

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

 

 

Общие сведения и классификация полупроводников

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

А^VII B^VI (Fe₂ O_3, NiO);

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

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

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

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

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

 

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

 

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

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

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

 

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

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

Для большинства полупроводниковых приборов используются примесные полупроводники.

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

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

 

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

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

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

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

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

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

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

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