Полупроводники при комнатной температуре занимают по удельному сопротивлению (10-6 –109 Ом*м) промежуточное положение между металлами и диэлектриками.По ширине заприщенной зоны к полупроводникам относятся вещества, шириназапрещенной зоны которых лежит в диапозоне 0,1-3,0эВ. Удельная проводимость полупроводников в сильной степени зависит от вида и колличества содержащихся в них примесей и дефектов. Для них характерна чувствительность к свету, электрическому и магнитному полю, радиационному воздействию, давлению и др. К полупроводникам относятся:
- простые вещества: германий, кремний,селен, теллур, фосфор, сера и др;
- окислы и сульфиды многих металлов: LiO, Cu2 O, CuO, CdS, PbS и др;
- интерметаллиды - InAs, InSb и др.;
- тройные соединения: CuSbS2, CuFeSe2;
- органические красители и др. материалы: антрацен, нафталин и др.
Полупроводники могут быть жидкими или твердыми, кристаллическими или аморфными.
Из электрофизических параметров важнейшими являются: удельная электрическая проводимость, концентрация электронов и дырок, температурные коэффициенты удельного сопротивления, ширина запрещенной зоны, энергия активации примисей, работа выхода, коэффициент диффузии носителей заряда и др. К фундаментальным параметрам относят плотность, постоянную кристаллической решетки, коэффициент теплопроводности, температуру плавления и др.
Свободными носителями зарядов в полупроводниках, как правило, являются электроны, возникающие в результате ионизации атома самого полупроводника (собственная проводимость) или атома примеси (примесная проводимость). В некоторых полупроводниках носителями зарядов могут быть ионы.
Электропроводность, возникающая под действием электрического поля за счет движения электронов и в противоположном направлении такого же количества дырок, называется собственной. В удельную проводимость полупроводника дают вклад носители двух типов - электроны и дырки. Для собственного полупроводника концентрация носителей определяется шириной запрещенной зоны и значением температуры по уровню Больцмана. В собственном полупроводнике концентрация электронов равна концентрации дырок. Подвижность носителей заряда представляет собой скорость, приобретаемую свободными электронами или ионами в электрическом поле единичной напряженности. Подвижность дырок существенно меньше, чем подвижность электронов.
Полупроводник Подвижность Подвижность дырок электронов м2 /(В*с) м2 (В*с)
Ge 0,380 0,180
Si 0,135 0,050
GaAs 0,820 0,040
InAs 3,000 0,020
InSb 7,000 0,400
Поставка электронов в зону проводимости и дырок в валентную зону может быть за счет примесей, которые могут ионизоваться уже при низкой температуре. Примеси, поставляющие электроны в зону проводимости, занимают уровни в запретной зоне вблизи дна зоны проводимости. Они называются донорными. Примеси, захватывающие электроны из зоны проводимости, располагаются на уровнях в запретной зоне вблизи потолка валентной зоны и называются акцепторными.
Примеси с энергией активации W<0,1 являются оптимальными. Их относят к "мелким" примесям. Мелкие уровни определяют электропроводность полупроводников в диапозоне температур 200-400 К, "глубокие" примеси ионизуются при повышенных температурах. Глубокие примеси, влияя на процессы рекомбинации, определяют фотоэлектрические свойства полупроводников. С помощью глубоких примесей можно компенсировать мелкие и получить материал с высоким удельным сопротивлением. В примесном полупроводнике взаимосвязь между количеством электронов и дырок подчиняется закону действующих масс, т.е. чем больше вводится электронов, тем меньше концентрация дырок.
Подвижность носителей заряда в полупроводниках зависит от температуры, т.к. тепловое хаотическое колебание частиц мешает упорядоченному движению.
Основные причины, влияющие на температурную зависимость подвижности это рассеяние на:
1) тепловые колебания атомов илиионов кристаллической решетки;
2) атомы или ионы примисей;
3) дефекты решетки.
С точки зрения применения в электротехнике к важнейшим относятся эффекты выпрямления, усиления, Холла, Ганна, фотоэлектрический, термоэлектрический.
Выпрямительными свойствами обладает лишь электронно-дырочной р-n переход и контакт полупроводника с другими материалами. Р-n переход представляет собой границу, отделяющую друг от друга области с дырочной и электронной проводимостью в примесном полупроводнике. Переход должен быть непрерывным. В цепи с переменным электрическим полем р-n переход работает как выпрямитель.
А) Свойства полупроводниковых материалов:
Свойства Германий Кремний Селен
Атомный номер 32 14 34
Т0 плавления 937 1412 218
Собственное удельное
Сопротивление 0б47 2*103 -
При 20 0С
Собственная
Концентрация
Носителей, м-3 2*1019 2*1016 -
Ширина
Запрещенной
Зоны, эВ 0,74 1,165 2,5
При 0 К
При 300К 0,65 1,12 2,0
Подвижность
Электронов 0,39 0,14
М2/(В*с) 0,19 0,05 0,2*10-4
|
Прохождение электрического тока через р~п переход
Р-п переход пропускает электрический ток преимущественно в одном направлении, т.е. имеет одностороннюю проводимость. Положительное свойство электронно-дырочного перехода: ширина запирающего слоя в " запертом" кристалле способна изменяться в зависимости от величины подводимого напряжения.
Увеличивая или уменьшая напряжение, мы можем как бы раздвигать или сближать границы запирающего слоя, изменяя тем самым емкость р-п перехода. В кристалле полупроводника можно образовать не только один, а два, три, несколько электронно-дырочных переходов.