Электрофизические свойства полупроводников реферат

Обновлено: 03.07.2024

Полупроводники занимают промежуточное положение по электропроводности (или по удельному сопротивлению) между проводниками и диэлектриками. Однако это деление всех веществ по их свойству электропроводности является условным, так как под действием ряда причин (примеси, облучение, нагревание) электропроводность и удельное сопротивление у многих веществ весьма значительно изменяются, особенно у полупроводников.

Содержание

1. Строение и электрические свойства полупроводников.
1.1 Общие свойства полупроводников.
§ 2. Собственная проводимость полупроводников.
§ 1.3. Примесная проводимость полупроводников.
Глава 2. Полупроводниковые приборы и их применение.
§ 1. Диод.
§2. Фотодиод.
§3. Транзистор.
§4. Термистор.

Вложенные файлы: 1 файл

Курсовая.doc

1. Строение и электрические свойства полупроводников.

1.1 Общие свойства полупроводников.

В связи с этим полупроводники от металлов отличают по целому ряду признаков:

удельное сопротивление у полупроводников при обычных условиях гораздо больше, чем у металлов;
удельное сопротивление чистых полупроводников уменьшается с ростом температуры (у металлов оно растет);
при освещении полупроводников их сопротивление значительно уменьшается (на сопротивление металлов свет почти не влияет);
ничтожное количество примесей оказывает сильное влияние на сопротивление полупроводников.

От диэлектриков полупроводники отличаются тем, что ширина

запрещенной зоны кристалла диэлектрика порядка нескольких электрон-вольт, то тепловое движение не может перебросить электроны из валентной зоны в зону проводимости и кристалл является диэлектриком, оставаясь им при всех реальных температурах. У полупроводников ширина запрещенной зоны достаточно узка (∆Е порядка 1 эВ, рис. 1), то переброс

(рис. 1.1) электронов из валентной зоны в зону проводимости может быть осуществлен сравнительно легко либо путем теплового возбуждения, либо за счет внешнего источника, способного передать электронам энергию ∆Е, и кристалл является полупроводником.

Полупроводниками являются твердые тела, которые при Т = 0 К характеризуются полностью занятой электронами валентной зоной и как говорилось выше валентная зона отделена от зоны проводимости сравнительно узкой запрещенной зоной. Своим названием они обязаны тому, что их проводимость меньше проводимости металлов и больше проводимости диэлектриков.

К полупроводникам принадлежат 12 химических элементов в средней части таблицы Менделеева — В, С, Ge, Sn, Р, Те, Se, I, Sb, As, S, Si, соединения элементов третьей группы с элементами пятой группы, многие оксиды и сульфиды металлов, ряд других химических соединений, некоторые органические вещества. Наибольшее применение для науки и техники имеют германий Ge и кремний Si.

Полупроводники могут быть чистыми и с примесями. Соответственно различают собственную и примесную проводимость полупроводников. Примеси в свою очередь делят на донорные и акцепторные.

Электрический ток в полупроводниках создается упорядоченным движением электронов и дырок в двух противоположных направлениях, что будет рассмотрено ниже.

§ 2. Собственная проводимость полупроводников.

Собственными полупроводниками являются химически чистые полупроводники, а их проводимость называется собственной проводимостью. Примером собственных полупроводников могут служить химически чистые Ge, Se, а также многие химические соединения: InSb, GaAs, CdS и др.

При 0 К и отсутствии других внешних факторов собственные полупроводники ведут себя как диэлектрики. При повышении же температуры электроны с верхних уровней валентной зоны I могут быть переброшены на нижние уровни зоны проводимости II (рис. 2). При наложении на кристалл

(рис. 2) (от лат. negative — отрицательный).

В результате тепловых забросов электронов из зоны I в зону II в валентной зоне возникают вакантные состояния, получившие название дырок. Во внешнем электрическом поле на освободившееся от электрона место — дырку — может переместиться электрон с соседнего уровня, а дырка появится в том месте, откуда ушел электрон, и т.д. Такой процесс заполнения дырок электронами равносилен перемещению дырки в направлении, противоположном движению электрона, так, как если бы дырка обладала положительным зарядом, равным по величине заряду электрона. Проводимость собственных полупроводников, обусловленная квазичастицами — дырками, называется дырочной проводимостью или проводимостью p-типа (от лат. positive — положительный).

Таким образом, в собственных полупроводниках наблюдаются два механизма проводимости: электронный и дырочный. Число электронов в зоне проводимости равно числу дырок в валентной зоне, так как последние соответствуют электронам, возбужденным в зоне проводимости. Следовательно, если концентрации электронов проводимости и дырок обозначить соответственно и , то

Проводимость полупроводников всегда является возбужденной, т. е. появляется только под действием внешних факторов (температуры, облучения, сильных электрических полей и т.д.).

В собственном полупроводнике уровень Ферми находится в середине запрещенной зоны (рис. 3). Действительно, для переброса электрона с

верхнего уровня валентной зоны на нижний уровень зоны проводимости затрачивается энергия активации, равная ширине запрещенной зоны ∆Е. При появлении же электрона в зоне проводимости в валентной зоне обязательно возникает дырка. Следовательно, энергия, затраченная на образование пары носителей тока, должна делиться на две равные части.

Так как энергия, соответствующая половине

(рис. 3) ширины запрещенной зоны, идет на переброс электрона и такая же энергия затрачивается на образование дырки, то начало отсчета для каждого из этих процессов должно находиться в середине запрещенной зоны. Энергия Ферми в собственном полупроводнике представляет собой энергию, от которой происходит возбуждение электронов и дырок.

Так как для собственных полупроводников ∆Е >> kТ, то распределение Ферми — Дирака переходит в распределение Максвелла — Больцмана. Положив в , получим

Количество электронов, переброшенных в зону проводимости, а следовательно, и количество образовавшихся дырок пропорциональны . Таким образом, удельная проводимость собственных полупроводников

где — постоянная, характерная для данного полупроводника.

Увеличение проводимости полупроводников с повышением температуры является их характерной особенностью (у металлов с повышением температуры проводимость уменьшается). С точки зрения зонной теории это обстоятельство объяснить довольно просто: с повышением температуры растет число электронов, которые вследствие теплового возбуждения переходят в зону проводимости и участвуют в проводимости. Поэтому удельная проводимость собственных полупроводников с повышением температуры растет.

Если представить зависимость от , то для собственных

полупроводников — это прямая (рис. 4), по наклону которой можно определить ширину запрещенной зоны ∆Е а по ее продолжению — (прямая отсекает на оси ординат отрезок, равный ).

Одним из наиболее широко распространенных полупроводниковых элементов является германий, имеющий решетку типа алмаза, в которой каждый атом связан ковалентными связями с четырьмя ближайшими

(рис. 4) соседями. Упрощенная плоская схема расположения атомов в кристалле Ge дана на рисунке 5, где каждая черточка обозначает связь, осуществляемую одним электроном. В идеальном кристалле при Т = 0 К такая структура представляет собой диэлектрик, так как все валентные электроны участвуют в образовании связей и, следовательно не участвуют в проводимости.

При повышении температуры (или под действием других внешних факторов) тепловые колебания решетки могут привести к разрыву некоторых валентных связей, в результате чего часть электронов отщепляется и они становятся свободными. В покинутом электроном месте возникает дырка ( она изображена белым

(рис. 5) кружком), заполнить которую могут электроны из соседней пары. В результате дырка, так же как и освободившийся электрон, будет двигаться по кристаллу. Движение электронов проводимости и дырок в отсутствие электрического поля является хаотическим. Если же на кристалл наложить электрическое поле, то электроны начнут двигаться против поля, дырки — по полю, что приведет к возникновению собственной проводимости германия, обусловленной как электронами, так и дырками.

В полупроводниках наряду с процессом генерации электронов и дырок идет процесс рекомбинации; электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону, отдавая энергию решетке и испуская кванты электромагнитного излучения. В результате для каждой температуры устанавливается определенная равновесная концентрация электронов и дырок, изменяющаяся с температурой, согласно выражению .

§ 1.3. Примесная проводимость полупроводников.

Проводимость полупроводников, обусловленная примесями, называется примесной проводимостью, а сами полупроводники — примесными полупроводниками. Примесная проводимость обусловлена примесями (атомы посторонних элементов), а также дефектами типа избыточных атомов (по сравнению со стехиометрическим составом), тепловыми (пустые узлы или атомы в междоузлиях) и механическими (трещины, дислокации и т. д.) дефектами. Наличие в полупроводнике примеси существенно изменяет его проводимость. Например, при введении в кремний примерно 0,001 ат. % бора его проводимость увеличивается примерно в 10 раз.

Примесную проводимость полупроводников рассмотрим на примере Ge и Si в которые вводятся атомы с валентностью, отличной от валентности основных атомов на единицу. Например, при замещении атома германия пятивалентным атомом мышьяка As (рис. 6, а) один электрон не может

образовать ковалентной связи, он оказывается лишним и может быть легко при тепловых колебаниях решетки отщеплен от атома, т. е. стать свободным. Образование свободного электрона не сопровождается нарушением ковалентной связи; следовательно, в отличие от случая, рассмотренного в § 2, дырка не возникает. Избыточный положительный заряд, возникающий вблизи атома примеси, связан с атомом примеси и поэтому перемещаться по решетке не может.

С точки зрения зонной теории рассмотренный процесс можно представить следующим образом (рис. 6, б). Введение примеси искажает поле решетки, что приводит к возникновению в запрещенной зоне энергетического уровня D валентных электронов мышьяка, называемого примесным уровнем. В случае германия с

(рис. 6) примесью мышьяка этот уровень располагается от дна зоны проводимости на расстоянии ∆Е = 0,013 эВ. Так как ∆Е

Все вещества по электрофизическим свойствам могут быть разделены на три больших класса: проводники, полупроводники и диэлектрики. Полупроводник – это вещество, электропроводность которого занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками, основным свойством этого вещества является сильная зависимость удельной проводимости от воздействия внешних факторов (температура, концентрация примесей, световое и ионизирующее излучение и электрического поля.).

НАКЛОН ЭНЕРГИТИЧЕСКИХ ЗОН В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Движение электрона во внешнем электрическом поле можно показать на картине зон. По горизонтальной оси отложим координату x электрона, а по вертикали - значение энергии электрона Э при движении его в периодическом поле частиц кристалла. Энергетические уровни изобразим горизонтальными линиями.

Двигаясь в электрическом поле, электрон меняет и свою координату, и энергию, переходя с одного уровня на другой (рис.1 а). При этом кинетическая энергия его увеличивается на величину eU (где U - пройденная электроном разность потенциалов), а потенциальная энергия увеличивается на ту же величину, так как полная энергия не меняется. Накопленную энергию электрон может потерять при рассеянии, вернувшись на более низкий уровень (электрон 1).

Иногда удобнее откладывать по вертикальной оси полную энергию электрона с учётом внешнего электрического поля. Тогда движение электрона следует изображать горизонтальной линией, а энергетические уровни - наклонными (рис.1 б). Тангенс угла наклона энергетических уровней при этом оказывается пропорциональным напряжённости электрического поля. Отклонение уровня от его положения, соответствующего отсутствию электрического поля, пропорционально электрическому потенциалу, т. е. ход уровней повторяет ход электрического потенциала. Энергетические уровни, соответствующие определённому значению полной энергии электрона, остаются горизонтальными.

ОТСТУПЛЕНИЕ ОТ ЗАКОНА ОМА

В сильных электрических полях нарушается пропорциональность между плотностью тока в полупроводнике и напряжённостью внешнего электрического поля.

E - напряжённость поля [В/м];

g - удельная проводимость [1/Омм]

Это является следствием физических процессов, вызывающих изменение удельной проводимости полупроводника.

Напряжённость поля, которую можно условно принять за границу между областью слабых I и сильных II полей, называют критической Екр (рис. 2).

Эта граница не является резкой и определенной и зависит от природы полупроводника, концентрации примесей и температуры окружающей среды.

Для выяснения физики явления изменения удельной проводимости полупроводника от напряжённости поля рассмотрим предварительно влияние поля отдельно на подвижность и концентрацию носителей заряда в объёме полупроводника.

ВЛИЯНИЕ НАПРЯЖЁННОСТИ ПОЛЯ НА ПОДВИЖНОСТЬ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА

Для наблюдения закона Ома необходимо, чтобы подвижность носителей заряда и их концентрация не зависели от напряжённости электрического поля.

Независимость подвижности определяется пренебрежимо малым изменением тепловых скоростей носителей заряда в полупроводнике, находящемся в электрическом поле, от напряжённости поля.

Скорость носителей заряда - величина векторная и в электрическом поле может изменяться как её абсолютное значение, так и направление.

где U - тепловая скорость,

V - скорость дрейфа,

U ₀ - скорость носителей заряда.

В области слабых полей, когда справедлив закон Ома, влияние поля в основном сводится к изменению только направления скоростей носителей заряда. При достаточно большой напряжённости поля приращение абсолютного значения скорости, получаемое по длине свободного пробега носителей заряда, станет сравнимо с начальным значением тепловой скорости, т. е. V = U.

В соответствии с выражением для подвижности носителей заряда:

где l_e - средняя длина свободного пробега,

U - средняя тепловая скорость,

m* - эффективная масса носителей заряда.

Это должно привести к уменьшению времени свободного пробега и изменении подвижности носителей заряда. Таким образом, критерием слабого поля является выполнение неравенства V Е_кр = 106 В/м.

Влияние сильного поля на изменение подвижности носителей заряда зависит от механизма рассеяния. В случае рассеяния на тепловых колебаниях узлов решётки le не зависит от скорости носителей заряда. Поэтому m ~ 1/U0(E), т. е. подвижность будет падать с увеличением напряжённости поля. При рассеянии на ионизированных примесях l_e ~ U₀ 4 ; отсюда следует, что m ~ U₀ 3 (E) (рис 3).

Т. о., в области сильных полей подвижность носителей заряда может как убывать, так и возрастать с увеличением напряжённости электрического поля E.

На практике, однако, далеко не всегда удаётся наблюдать уменьшение проводимости полупроводников в сильном электрическом поле вследствие снижения подвижности носителей заряда. Это объясняется тем, что в большинстве случаев возрастание напряжённости поля приводит к значительному увеличению концентрации носителей заряда.

ВЛИЯНИЕ НАПРЯЖЁННОСТИ ПОЛЯ НА КОНЦЕНТРАЦИЮ ЗАРЯДА

При напряжённости электрического поля более 106 В/м в полупроводнике начинают появляться избыточные носители заряда и удельная проводимость его возрастает. Различают несколько механизмов увеличения концентрации носителей.

Внешнее электрическое поле изменяет вид потенциальных барьеров между атомами кристаллической решётки. Если внешнее поле отсутствует, то в кристалле между атомами действует периодическое поле, вид которого для одной ячейки показан пунктирной гиперболической кривой (рис.4). Под действием сильного поля несколько уменьшается высота потенциального барьера для электронов в направлении, противоположном направлению поля. Если рассматриваемый барьер относится к примесному атому, например, донору, то уменьшение энергии ионизации на величину dЭ приведёт к увеличению концентрации электронов в зоне проводимости

Незначительные изменения dЭ вызывают существенные изменения концентрации носителей заряда. Рассматриваемый эффект проявляется при 106 В/м, а теория развита П. И. Френкелем.

Свободный электрон, ускоряясь под действием большой напряжённости электрического поля на длине свободного пробега, может накопить энергию, достаточную для ионизации примеси или собственного атома полупроводника. Ионизацию могут вызывать и дырки, так как движение дырок является лишь способом описания движения совокупности электронов валентной зоны полупроводника.

Количественно процесс ударной ионизации характеризуется коэффициентами ударной ионизации, которые численно равны количеству пар носителей заряда, образуемым первичным носителем на единице пути. По аналогии с теорией электрического разряда в газах, коэффициенты ударной ионизации в полупроводниках обозначают a_n и a_p . Коэффициенты ударной ионизации очень сильно зависят от напряжённости электрического поля. Для практических расчётов часто пользуются эмпирической аппроксимацией

где m = 5 ~ 8 (зависит от материала), A = const.

Туннельный эффект (или электростатическая ионизация).

Сильному электрическому полю в проводнике соответствует большой наклон энергетических зон (рис.5). В этих условиях электроны могут переходить сквозь узкий потенциальный барьер (толщиной Dх) без изменения своей энергии - туннелировать благодаря своим квантово-механическим свойствам. Т. к. процесс туннелирования происходит вследствие перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости, то этот процесс можно считать аналогичным автоэлектронной эмиссии или холодной эмиссии электронов из металла.

Вероятность перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости и, наоборот, из зоны проводимости в валентную зону одна и та же. Но переход электронов из валентной зоны преобладает, поскольку их там значительно больше, чем в зоне проводимости. Поэтому концентрация носителей заряда растёт при туннелировании.

Туннельный эффект в полупроводниках проявляется при очень больших напряжённостях электрического поля: в кремнии при E = 106 В/м, в германии при E = 105 В/см. Напряжённости электрического поля, при которых появляется эффект туннелирования, различны для различных материалов, т. к. толщина потенциального барьера (D) зависит от ширины запрещённой зоны полупроводника при неизменной напряжённости электрического поля, т. е. при неизменном наклоне энергетических зон.

ЭФФЕКТ ГАННА

полупроводник энергетический электрический заряд

К эффектам сильного поля, обусловленным изменением подвижности носителей заряда, относится также эффект Ганна, открытый в 1963 г. Сущность его заключается в появлении высокочастотных колебаний электрического тока при воздействии на полупроводник постоянного электрического поля высокой напряжённости.

Впервые эффект Ганна наблюдался в образцах из арсенида галлия GaAs и фосфида индия InP с электропроводностью n - типа. Пороговая напряжённость поля для GaAs составляет 0,3 МВ/м, а для InP - около 0,6 МВ/м.

Для объяснения эффекта Ганна необходимо учесть сложное строение зоны проводимости полупроводников, которое не отражают простейшие энергетические диаграммы. Напомним:

h·k - импульс частицы в кристалле

эффективная масса частицы.

волновое число, где l - длина волны де Бройля;

где h - постоянная Планка, p – импульс.

ГОСТ

Полупроводники

Полупроводник – это материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками, от проводников он отличается сильной зависимостью удельной проводимости от воздействия различных видов излучения, температуры, а также от степени концентрации различных примесей.

Удельная проводимость – это способность среды или тела проводить электрический ток.

Полупроводник представляет собой кристаллическое вещество, у которого ширина запрещенной зоны порядка электрон-вольт. Например, алмаз относится к широкозонным полупроводникам, а такое вещество, как арсенид индия к узкозонным. К полупроводникам относятся многие химические элементы (кремний, селен, германий, мышьяк, теллур и т.п.), а также большое количество химических соединений и сплавов. Полупроводники классифицируются по:

Характеру проводимости. Согласно данному признаку полупроводники делятся на полупроводники с собственной проводимостью и проводники с примесной проводимостью.
Виду проводимости. Согласно данному признаку полупроводники делятся на электронные и дырочные полупроводники.

Электрофизические свойства полупроводников

Полупроводники являются теми материалами, на основе которых разработаны элементы, широко используемые в информационной технике. В качестве основного материала могут использоваться кремний, арсенид галлия и германий, а в качестве примесей используются бор, фосфор, индий, сурьма и т.п.

В кристаллической решетке четырехвалентного полупроводника, например, германия или кремний, каждый атом с соседними атомами связан при помощи двух валентных электронов (по одному от каждого атома), а такая связь называется валентной. В случае ее образования электрон не принадлежит одному атому, а принадлежит двум атомам, которые связаны между собой, то есть является общим, как показано на рисунке ниже.

Готовые работы на аналогичную тему

Рисунок 1. Валентная связь. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

При воздействии внешних факторов, например, увеличение температуры, некоторые электроны атомов кристаллической решетки приобретают энергию, которой достаточно для их освобождения от ковалентных связей, поэтому они могут совершить переход из валентной зоны в зону проводимости, таким образом став свободными. У данного процесса вероятностный характер. Когда электрон освобождается из ковалентной связи, появляется свободное место, которое обладает положительным зарядом (равный абсолютному значению заряда электрона). Освободившееся место называется дыркой, а процесс ее образования -генерацией. В дырку может переместиться валентный электрон (из ковалентной связи соседнего электрона). В результате этого ковалентная связь в одном атоме восстановится (рекомбинация), а в соседнем разрушится. Перемещение дырок по кристаллу равносильно перемещению положительного заряда.

В случае отсутствия внешнего электрического поля дырки в кристалле перемещаются в хаотичном порядке. Когда к кристаллу прикладывается разность потенциалов, то из-за воздействия электрического поля движение дырок становится упорядоченным, а в кристалле появляется электрический ток. Получается, что проводимость полупроводника обусловлена перемещением положительно заряженных дырок и отрицательно заряженных свободных электронов. Так различают:

Дырочную проводимость.
Электронную проводимость.

В химически чистом полупроводнике количество дырок в всегда равно числу свободных электронов, а электрический ток создается благодаря одновременным переносам зарядов обоих знаков. Такая проводимость называется собственная проводимость полупроводника и зависит от энергетических воздействий, освещенности, облученности и температуры.

При пятивалентной примеси (изображенной на рисунке ниже) четыре валентных электрона атома примеси с четырьмя электронами соседних атомов основного вещества образуют ковалентные связи, а пятый становится лишним. Лишние электроны могут образовываться даже при комнатной температуре. При данном процессе в узлах кристаллической решетки возникают положительно заряженные ионы примесных атомов, являющиеся неподвижными.

Рисунок 2. Пятивалентная примесь. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В случае трехвалентной примеси (рисунок ниже) в одной из ковалентных связей каждого атома примеси отсутствует электрон - образуется дырка. Валентные электроны находятся на энергетическом уровне, который располагается близко к зоне валентных электронов полупроводника. Таким образом валентные электроны валентной зоны легко захватываются электронами атомов примеси, что способствует перемещению дырок по решетке, представляя собой основные носители заряда.

Рисунок 3. Трехвалентная примесь. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

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

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	23.12.2015
Размер файла	24,0 K

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

Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный технологический институт

(технический университет)

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

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.

Читайте также: