Полупроводники их свойства и применение. Полупроводники и их свойства

Свойства полупроводников — свойство янтаря после натирания шерстью притягивать к себе мелкие предметы, было подмечено очень давно. Но электрические явления, непостоянные и преходящие, долго находились в тени магнитных явлений, более стабильных во времени.

В 17-18 веках электрические опыты оказались широко доступными, и был сделан ряд новых открытий. В 1729 году англичанин Стефан Грей обнаружил, что все вещества делятся на 2 класса: неспособные переносить электрический заряд изоляторы (называемые «электрическими телами», поскольку их можно было электризовать трением), и способные переносить заряд проводники (называемые «неэлектрическими телами»).

Современные представления об электрических свойствах веществ

С развитием дальнейших представлений свойства веществ проводить электрический ток стали характеризовать количественно – значением удельной электрической проводимости, измеряемой в сименсах на метр (См/м). При комнатной температуре проводимость проводников лежит в диапазоне от 10 6 до 10 8 См/м, а у диэлектриков (изоляторов) меньше 10 -8 См/м.

Вещества, по проводимости занимающие промежуточное положение, логично назвать полупроводниками или полуизоляторами. Исторически закрепилось первое название. Проводимость полупроводников лежит в пределах от 10 -8 до 10 6 См/м. Между этими 3 видами веществ не существует резких границ, качественные отличия определяются разницей количественных свойств.

Из физики известно, что электрон в твердом теле не может обладать произвольной энергией, эта энергия может принимать лишь определенные значения, называемые энергетическими уровнями. Чем ближе электрон в атоме к ядру, тем ниже его энергия. Наибольшей энергией обладает удаленный электрон. В электрических и химических процессах участвуют лишь электроны внешней оболочки атома (электроны т.н. валентной зоны).

Электроны с более высокой энергией, чем электроны валентной зоны, относятся к электронам зоны проводимости. Эти электроны не связаны с отдельными атомами, и они беспорядочно движутся внутри тела, обеспечивая проводимость.

Атомы вещества, отдавшего электрон в зону проводимости, рассматриваются как заряженные положительно ионы, они неподвижны и образуют кристаллическую решетку вещества, внутри которой движутся электроны проводимости. У проводников (металлов) зона проводимости примыкает к валентной зоне, и каждый атом металла без помех отдает в зону проводимости один или большее число электронов, что и обеспечивает металлам свойство электропроводности.

Свойства полупроводников определяются шириной запрещенной зоны

У полупроводников и диэлектриков между валентной зоной и зоной проводимости существует т.н. запрещенная зона. Электроны не могут обладать энергией, соответствующей энергии уровней этой зоны. Деление веществ на диэлектрики и полупроводники производится в зависимости от ширины запрещенной зоны. При ширине запрещенной зоны в несколько электрон-вольт (эВ), у электронов валентной зоны мало шансов попасть в зону проводимости, что и делает эти вещества непроводящими. Так, у алмаза ширина запрещенной зоны 5,6 эВ. Однако, с повышением температуры, электроны валентной зоны увеличивают свою энергию, и некоторая часть попадает в зону проводимости, что ухудшает изолирующие свойства диэлектриков.

Если же ширина запрещенной зоны порядка одного электрон-вольта, вещество приобретает заметную проводимость уже при комнатной температуре, становясь еще более проводящим с повышением температуры. Подобные вещества мы и относим к полупроводникам, и свойства полупроводников определяются шириной запрещенной зоны.

При комнатной температуре ширина запрещенной зоны у полупроводников менее 2,5-3 эВ. В качестве примера, ширина запрещенной зоны германия 0,72 эВ, а кремния 1,12 эВ. К широкозонным полупроводникам относятся полупроводники с шириной запрещенной зоны более 2 эВ. Обычно, чем выше у полупроводника ширина запрещенной зоны, тем выше его температура плавления. Так, у германия температура плавления 936 °С, а у кремния 1414 °С.

Два вида проводимости полупроводников – электронная и дырочная

При температуре абсолютного нуля (-273 °С), в чистом полупроводнике (собственном полупроводнике, или полупроводнике i -типа) все электроны находятся в составе атомов, и полупроводник является диэлектриком. При повышении температуры часть электронов валентной зоны попадает в зону проводимости, и возникает электронная проводимость. Но когда атом теряет электрон, он становится заряженным положительно.

Перемещаться под действием электрического поля атом, занимающий место в кристаллической решетке, не может, но он способен притянуть электрон из соседнего атома, заполнив «дырку» в своей валентной зоне. Потерявший электрон атом, в свою очередь, также будет искать возможность заполнить образовавшуюся во внешней оболочке «дырку». Дырка обладает всем и свойствами положительного заряда, и можно считать, что в полупроводнике существуют 2 вида носителей – отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные дырки.

Электроны проводимости могут занимать свободные места в валентной зоне, т.е. объединяться с дырками. Такой процесс называется рекомбинацией, и, поскольку генерация и рекомбинация носителей происходит одновременно, при данной температуре количество пар носителей находится в состоянии динамического равновесия – количество возникающих пар сравнивается с количеством рекомбинирующих.

Собственная проводимость полупроводника i -типа складывается из электронной и дырочной проводимости, при этом преобладает электронная проводимость, поскольку электроны подвижнее дырок. Удельная электрическая проводимость металлов или полупроводников зависит от числа носителей заряда в 1 куб. см, или от концентрации электронов и дырок.

Если число атомов в 1 куб. см вещества порядка 10 22 , то при комнатной температуре в металлах число электронов проводимости не меньше числа атомов, т.е. также порядка 10 22 , при этом в чистом германии концентрация носителей заряда порядка 10 13 см -3 , а в кремнии 10 10 см -3 , что значительно меньше, чем у металла, оттого проводимость полупроводников в миллионы и миллиарды раз хуже, чем у металлов.

Все дело в примесях

При приложении к полупроводнику напряжения возникающее в нем электрическое поле ускоряет электроны и дырки, их движение становится упорядоченным, и возникает электрический ток – ток проводимости. Помимо собственной проводимости, в полупроводниках существует еще и примесная проводимость, обязанная, как можно догадаться по названию, наличию в полупроводнике примесей.

Если к 4-валентному германию добавить ничтожное количество 5-валентной сурьмы, мышьяка или фосфора, на связь с атомами германия атомы примеси задействуют 4 электрона, а пятый окажется в зоне проводимости, что резко улучшает проводимость полупроводника. Такие примеси, атомы которых отдают электроны, называются донорами. Поскольку в таких полупроводниках преобладает электронная проводимость, они называются полупроводниками n -типа (от английского слова negative — отрицательный). Чтобы все атомы донора отдавали по электрону в зону проводимости, энергетическая зона атомов донора должна располагаться как можно ближе к зоне проводимости полупроводника, несколько ниже ее.

При добавлении к 4-валентному германию примеси 3-валентного бора, индия или алюминия, атомы примеси отнимают электроны от атомов германия, и германий приобретает дырочную проводимость, становится полупроводником p -типа (от английского слова positive – положительный). Примеси, создающие дырочную проводимость, называются акцепторами.

Чтобы акцепторы могли легко захватывать электроны, энергетические уровни атомов акцептора должны примыкать к уровням валентной зоны полупроводника, располагаясь чуть выше ее.

Примесная проводимость обычно значительно превышает собственную, поскольку концентрация атомов донора или акцептора значительно превышает концентрацию собственных носителей. Получить полупроводник со строго дозированным количеством примеси очень сложно, при этом и исходный полупроводник должен быть очень чистым. Так, для германия допускается не более одного атома посторонней примеси (т.е. не донора и не акцептора) на 10 миллиардов атомов германия, а для кремния требования по чистоте еще в 1000 раз выше.

Переход металл-полупроводник

В полупроводниковых приборах возникает необходимость применения контактов полупроводника с металлом. Вещество (металл или полупроводник) характеризуется энергией, требуемой электрону для выхода из вещества – работой выхода. Обозначим работу выхода из металла A м, а из полупроводника A п.

Омические контакты

При необходимости создания омического контакта (т.е. невыпрямляющего, когда сопротивление контакта мало при любой полярности приложенного напряжения) достаточно обеспечить контакт металла с полупроводником при создании следующих условий:

При контакте с n-полупроводником: A м < A п;
При контакте с p-полупроводником: A м > A п .

Подобные свойства полупроводников объясняется тем, что в приграничном слое полупроводника накапливаются основные носители, что и обеспечивает его малое сопротивление. Накопление основных носителей обеспечивается тем, что электроны всегда переходят из вещества с меньшей работой выхода в вещество с большей работой выхода.

Выпрямляющие контакты

А вот если с полупроводником n -типа в контакте находится металл с A м > A п, то электроны перейдут из полупроводника в металл, и в приграничном слое образуется обедненная основными носителями область, обладающая малой проводимостью. Для того, чтобы преодолеть создавшийся барьер, к контакту необходимо приложить напряжение определенной полярности и достаточной величины. При приложении обратной полярности проводимость контакта еще более ухудшится – такой контакт обладает выпрямляющими свойствами. Нетрудно видеть, что аналогичные свойства полупроводников односторонней проводимости обладает контакт металла с полупроводником p -типа при A м < A п.

История полупроводникового детектора

Подобные свойства полупроводников металл-полупроводник были открыты еще немецким физиком Фердинандом Брауном в 1874 году. Самые первые диоды на основе контакта металл-полупроводник появились около 1900 года, когда в радиоприемниках стали использоваться детекторы, состоящие из вольфрамовой проволоки, прижатой к поверхности кристалла галенита (сульфида свинца). Радиолюбители делали детекторы самостоятельно, сплавляя свинец с серой.

В 1906 году французский ученый Г. Пикар сконструировал детектор из кремниевого кристалла и спиральной контактной пружины с острием, и получил на него патент. Электронные приборы на основе контакта металл-полупроводник называют диодами Шоттки по имени исследовавших подобные контакты немецкого физика Вальтера Шоттки.

В 1926 году появились мощные купроксные выпрямительные элементы, представляющие собой медную пластину с нанесенным слоем закиси меди, получившие широкое применение в силовых блоках.

Электронно-дырочный переход

Электронно-дырочный переход, или n-p -переход – это область на границе двух полупроводников разного типа проводимости, и работа полупроводниковых приборов основывается на использовании свойств подобных переходов. При отсутствии приложенного к переходу напряжения носители заряда перемещаются из областей с более высокой концентрацией в области с более низкой концентрацией — из полупроводника n -типа в полупроводник p -типа перемещаются электроны, а в обратном направлении дырки.

В результате этих перемещений по обе стороны границы раздела возникают области с объемным зарядом, а между этими областями возникает контактная разность потенциалов. Эта разность потенциалов образует потенциальный барьер, что препятствует дальнейшему переходу носителей через барьер. Высота барьера (контактная разность потенциалов) зависит от концентрации примесей, и для германия составляет обычно 0,3-0.4 В, доходя до 0,7 В. В установившемся режиме ток через переход отсутствует, поскольку p-n -переход обладает большим сопротивлением в сравнении с остальными областями полупроводников, и образовавшийся слой называют запирающим.

Если к n-p -переходу приложить внешнее напряжение, то, в зависимости от его полярности, переход поведет себя по-разному.

Протекание через переход прямого тока

Если к полупроводнику p -типа приложить «плюс» источника напряжения, то создаваемое источником поле действует противоположно полю контактной разности потенциалов, суммарное поле уменьшается, снижается высота потенциального барьера, и его преодолевает большее число носителей. Через переход начинает протекать ток, называемый прямым. Одновременно уменьшается толщина защитного слоя и его электрическое сопротивление.

Для возникновения существенного прямого тока к переходу достаточно приложить напряжение, сравнимое с высотой барьера в отсутствие приложенного напряжения, т.е. в десятые доли вольта, а при еще большем напряжении сопротивление запирающего слоя станет близким к нулю.

Протекание через переход обратного тока

Если же внешнее напряжение «переполюсовать», т.е. приложить к p -полупроводнику «минус» источника напряжения, поле внешнего напряжения будет складываться с полем контактной разности потенциалов. Высота потенциального барьера увеличивается, что затруднит диффузию основных носителей через переход, и ток через переход, называемый «обратным», окажется небольшим. Запирающий слой становится толще, его электрическое сопротивление возрастает.

Выпрямляющие свойства электронно-дырочных переходов используются в диодах разной мощности и назначения — для выпрямления переменного тока в силовых блоках питания и слабых сигналов в устройствах различного назначения.

Иные применения свойства полупроводников

Электронно-дырочный переход при обратном напряжении ведет себя аналогично заряженному электрическому конденсатору емкостью от единиц до сотен пикофарад. Эта емкость зависит от приложенного к переходу напряжения, что позволяет использовать некоторые виды полупроводниковых приборов в качестве конденсаторов переменной емкости, управляемых приложенным напряжением.

Свойства n-p -перехода также значительно зависят от температуры среды, что позволяет применять отдельные виды полупроводниковых приборов в качестве датчиков температуры. Приборы с тремя областями различной проводимости, как, например, n-p-n , позволяют создавать устройства, обладающие свойствами усиления электрических сигналов, а также их генерации.

Одно из главных свойств p‑n‑перехода состоит в его способности пропускать электрический ток в одном (прямом) направлении в тысячи и миллионы раз лучше, чем в обратном.

Полупроводники - класс веществ, занимающих промежуточное положение между веществами, хорошо проводящими электрический ток (проводники, в основном металлы), и веществами, практически не проводящими электрического тока (изоляторы или диэлектрики).

Для полупроводников характерна сильная зависимость их свойств и характеристик от микроскопических количеств содержащихся в них примесей. Изменяя количество примеси в полупроводнике от десятимиллионных долей процента до 0,1–1%, можно изменить их проводимость в миллионы раз. Другое важнейшее свойство полупроводников состоит в том, что электрический ток переносится в них не только отрицательными зарядами - электронами, но и равными им по величине положительными зарядами - дырками.

Если рассматривать идеализированный полупроводниковый кристалл, абсолютно свободный от каких‑нибудь примесей, то его способность проводить электрический ток будет определяться так называемой собственной электропроводностью.

Атомы в кристалле полупроводника связаны между собой с помощью электронов внешней электронной оболочки. При тепловых колебаниях атомов тепловая энергия распределяется между электронами, образующими связи, неравномерно. Отдельные электроны могут получать количество тепловой энергии, достаточное для того, чтобы «оторваться» от своего атома и получить возможность свободно перемещаться в кристалле, т. е. стать потенциальными носителями тока (по‑другому можно сказать, что они переходят в зону проводимости). Такой уход электрона нарушает электрическую нейтральность атома, у него возникает положительный заряд, равный по величине заряду ушедшего электрона. Это вакантное место называют дыркой.

Так как вакантное место может быть занято электроном соседней связи, дырка также может перемещаться внутри кристалла и являться уже положительным носителем тока. Естественно, что электроны и дырки при этих условиях возникают в равных количествах, и электропроводность такого идеального кристалла будет в равной степени определяться как положительными, так и отрицательными зарядами.

Если на место атома основного полупроводника поместить атом примеси, во внешней электронной оболочке которого содержится на один электрон больше, чем у атома основного полупроводника, то такой электрон окажется как бы лишним, ненужным для образования межатомных связей в кристалле и слабо связанным со своим атомом. Достаточно в десятки раз меньше энергии, чтобы оторвать его от своего атома и превратить в свободный электрон. Такие примеси называют донорными, т. е. отдающими «лишний» электрон. Атом примеси заряжается, разумеется, положительно, но дырки при этом не появляется, так как дыркой может быть только вакансия электрона в незаполненной межатомной связи, а в данном случае все связи заполнены. Этот положительный заряд остается связанным со своим атомом, неподвижным и, следовательно, в процессе электропроводности участия принимать не может.

Введение в полупроводник примесей, внешняя электронная оболочка которых содержит меньшее количество электронов, чем в атомах основного вещества, приводит к появлению незаполненных связей, т. е. дырок. Как было сказано выше, эта вакансия может быть занята электроном из соседней связи, и дырка получает возможность свободного перемещения по кристаллу. Иными словами, движение дырки - это последовательный переход электронов из одной соседней связи в другую. Такие примеси, «принимающие» электрон, называют акцепторными.

Если приложить к структуре металл - диэлектрик полупроводник n‑типа напряжение (указанной на рисунке полярности), то в приповерхностном слое полупроводника возникает электрическое поле, отталкивающее электроны. Этот слой оказывается обедненным.

В полупроводнике p‑типа, где основными носителями являются положительные заряды - дырки, та полярность напряжения, которая отталкивала электроны, будет притягивать дырки и создавать обогащенный слой с пониженным сопротивлением. Смена полярности в этом случае приведет к отталкиванию дырок и образованию приповерхностного слоя с повышенным сопротивлением.

С увеличением количества примесей того или иного типа электропроводность кристалла начинает приобретать все более ярко выраженный электронный или дырочный характер. В соответствии с первыми буквами латинских слов negativus и positivus электронную электропроводность называют электропроводностью n‑типа, а дырочную - p‑типа, отмечая этим, какой тип подвижных носителей заряда для данного полупроводника является основным, а какой - неосновным.

При электропроводности, обусловленной наличием примесей (т. е. примесной), в кристалле по‑прежнему остается 2 типа носителей: основные, появляющиеся главным образом за счет введения в полупроводник примесей, и неосновные, обязанные своим появлением тепловому возбуждению. Содержание в 1 см 3 (концентрация) электронов n и дырок p для данного полупроводника при данной температуре есть величина постоянная: n − p = const. Это значит, что, увеличивая за счет введения примесей в несколько раз концентрацию носителей данного типа, мы во столько же раз уменьшаем концентрацию носителей другого типа. Следующее важное свойство полупроводников - их сильная чувствительность к температуре и облучению. С ростом температуры повышается средняя энергия колебания атомов в кристалле, и все большее количество связей будет подвергаться разрыву. Будут появляться все новые и новые пары электронов и дырок. При достаточно высоких температурах собственная (тепловая) проводимость может сравняться с примесной или даже значительно превзойти её. Чем выше концентрация примесей, тем при более высоких температурах будет наступать этот эффект.

Разрыв связей может осуществляться также за счет облучения полупроводника, например, светом, если энергия световых квантов достаточна для разрыва связей. Энергия разрыва связей у разных полупроводников различна, поэтому они по‑разному реагируют на те или иные участки спектра облучения.

В качестве основных полупроводниковых материалов используют кристаллы кремния и германия, а в роли примесей - бор, фосфор, индий, мышьяк, сурьму и многие другие элементы, сообщающие полупроводникам необходимые свойства. Получение полупроводниковых кристаллов с заданным содержанием примесей - сложнейший технологический процесс, проводимый в особо чистых условиях с использованием оборудования высокой точности и сложности.

Все перечисленные важнейшие свойства полупроводников используются для создания самых различных по своему назначению и областям применения полупроводниковых приборов. В технике широко используются диоды, транзисторы, тиристоры и многие другие полупроводниковые приборы. Применение полупроводников началось сравнительно недавно, а сегодня уже трудно перечислить все их «профессии». Они преобразуют световую и тепловую энергию в электрическую и, наоборот, с помощью электричества создают теплоту и холод (см. Гелиоэнергетика). Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной атомной батарее и в миниатюрных блоках электронной вычислительной машины. Инженеры не могут сегодня обходиться без полупроводниковых выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую ими мощность и резко увеличить надежность.

Об этом можно прочесть в статье Микроэлектроника.

Ты, юный друг, современник технической революции во всех областях радиоэлектроники. Суть ее заключается в том, что на смену электронным лампам пришли полупроводниковые приборы, а их теперь все больше теснят микросхемы.

Предком одного из наиболее характерных представителей «армии» полупроводниковых приборов - транзистора - был так называемый генерирующий детектор, изобретенный еще в 1922 г. советским радиофизиком О. В. Лосевым. Этот прибор, представляющий собой кристалл полупроводника с двумя примыкающими к нему проволочками - проводниками, при определенных условиях мог генерировать и усиливать электрические колебания. Но он тогда из-за несовершенства не мог конкурировать с электронной лампой. Достойного полупроводникового соперника электронной лампе, названного транзистором, создали в 1948 г. американские ученые Браттейн, Бардин и Шокли. В нашей стране большой вклад в разработку полупроводниковых приборов внесли А. Ф. Иоффе, Л. Д. Ландау, Б. И. Давыдова, В.Е. Лошкарев и ряд других ученых и инженеров, многие научные коллективы.

Чтобы понять сущность явлений, происходящих в современных полупроводниковых приборах, нам придется «заглянуть» в структуру полупроводника, разобраться в причинах образования в нем электрического тока. Но перед этим хорошо бы тебе вспомнить ту часть первой беседы, где я рассказывал о строении атомов.

ПОЛУПРОВОДНИКИ И ИХ СВОЙСТВА

Напомню: по электрическим свойствам полупроводники занимают среднее место между проводниками и непроводниками тока. К сказанному добавлю, что к группе полупроводников относится гораздо больше веществ, чем к группам проводников и непроводников, взятых вместе. К полупроводникам, нашедшим практическое применение в технике, относятся германий, кремний, селен, закись меди и некоторые другие вещества. Но для полупроводниковых приборов используют в основном только германий и кремний.

Каковы наиболее характерные свойства полупроводников, отличающие их от проводников и непроводников тока? Электропроводность полупроводников сильно зависит от окружающей температуры. При очень низкой температуре, близкой к абсолютному нулю (- 273°С), они ведут себя по отношению к электрическому току как изоляторы. Большинство же проводников, наоборот, при такой температуре становятся сверхпроводимыми, т.е. почти не оказывают току никакого сопротивления. С повышением температуры проводников их сопротивление электрическому току увеличивается, а сопротивление полупроводников уменьшается. Электропроводность проводников не изменяется при действии на них света. Электропроводность же полупроводников под действием света, так называемая фотопроводность, повышается. Полупроводники могут преобразовывать энергию света в электрический ток. Проводникам же это совершенно не свойственно. Электропроводность полупроводников резко увеличивается при введении в них атомов некоторых других элементов. Электропроводность же проводников при введении в них примесей понижается. Эти и некоторые другие свойства полупроводников были известны сравнительно давно, однако широко использовать их стали сравнительно недавно.

В полупроводнике атомы расположены в строгом порядке: каждый атом окружен четырьмя такими же атомами. Они к тому же расположены настолько близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг всех соседних атомов, связывая их в единое вещество. Такую взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника можно представить себе в виде плоской схемы, как показано на рис. 72, а. Здесь большие шарики со знаком « + » условно изображают ядра атомов с внутренними слоями электронной оболочки (положительные ионы), а маленькие шарики - валентные электроны. Каждый атом, как видишь, окружен четырьмя точно такими же атомами. Любой из атомов связан с каждым соседним двумя валентными электронами, один из которых «свой», а второй заимствован у «соседа». Это двухэлектронная, или валентная, связь. Самая прочная связь!

Рис. 72. Схема взаимосвязи атомов в кристалле полупроводника (а) и упрощенная схема его структуры (б)

В свою очередь, внешний слой электронной оболочки каждого атома содержит восемь электронов: четыре своих и по одному от четырех соседних атомов. Здесь уже невозможно различить, какой из валентных электронов в атоме «свой», а какой «чужой», поскольку они сделались общими. При такой связи атомов во всей массе кристалла германия или кремния можно считать, что кристалл полупроводника представляет собой одну большую молекулу.

Схему взаимосвязи атомов в полупроводнике можно для наглядности упростить, изобразив ее так, как это сделано на рис. 72, б. Здесь ядра атомов с внутренними электронными оболочками показаны в виде кружков со знаком плюс, а межатомные связи - двумя линиями, символизирующими валентные электроны.

Мы рассказывали о проводниках и диэлектриках и вскользь упомянули о том, что есть промежуточная форма проводимости, которая при определенных условиях может принимать свойства проводника или диэлектрика. Этот тип веществ называют полупроводниками.

Напомню: по электрическим свойствам полупроводники занимают среднее место между проводниками и непроводниками тока.
Наиболее часто для производства полупроводников используют германий, кремний, реже — селен, закись меди и другие вещества.

Электропроводность полупроводников сильно зависит от окружающей температуры. При температуре, близкой к абсолютному нулю (- 273С), они ведут себя по отношению к электрическому току как изоляторы. Большинство же проводников, наоборот, при такой температуре становятся сверхпроводящими, т. е. почти не оказывают току никакого сопротивления. С повышением температуры проводников их сопротивление электрическому току увеличивается, а сопротивление полупроводников уменьшается. Электропроводность проводников не изменяется при действии на них света. Электропроводность же полупроводников под действием света, так называемая фотопроводность, повышается.

Полупроводники могут преобразовывать энергию света в электрический ток. Проводникам же это совершенно не свойственно. Электропроводность полупроводников резко увеличивается при введении в них атомов некоторых других элементов. Электропроводность же проводников при введении в них примесей понижается.

Германий и кремний, являющиеся исходными материалами многих современных полупроводниковых приборов, имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона. Всего же в атоме германия 32 электрона, а в атоме кремния 14. Но 28 электронов германия и 10 электронов кремния, находящиеся во внутренних слоях их оболочек, прочно удерживаются ядрами и ни при каких обстоятельствах не отрываются от них. Только четыре валентных электрона атомов этих полупроводников могут, да и то не всегда, стать свободными. Атом же полупроводника, потерявший хотя бы один электрон, становится положительным ионом. В полупроводнике атомы расположены в строгом порядке: каждый из них окружен четырьмя такими же атомами. Они к тому же расположены настолько близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг всех соседних атомов, связывая их в единое вещество.
Такую взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника можно представить себе в виде плоской схемы, как показано на рис. 1, а. Здесь большие шарики со знаком « + » условно изображают ядра атомов с внутренними слоями электронной оболочки (положительные ионы), а маленькие шарики — валентные электроны . Каждый атом, окружен четырьмя точно такими же. Любой из них связан с каждым соседним двумя валентными электронами, один из которых «свой», а второй заимствован у «соседа». Это двухэлектронная, или валентная, связь. Самая прочная связь! В свою очередь, внешний слой электронной оболочки каждого атома содержит восемь электронов: четыре своих и по одному от четырех соседних атомов. Здесь уже невозможно различить, какой из валентных электронов «свой», а какой «чужой», поскольку они стали общими. При такой связи атомов во всей массе кристалла германия или кремния можно считать, что кристалл полупроводника представляет собой одну большую молекулу. Схему взаимосвязи атомов в полупроводнике можно для наглядности упростить, изобразив ее так, как это сделано на рис. 1, 6. Здесь ядра атомов с внутренними электронными оболочками показаны в виде кружков со знаком плюс, а межатомные связи — двумя линиями, символизирующими валентные электроны.

Электропроводность полупроводников

При температуре, близкой к абсолютному нулю, полупроводник ведет себя как абсолютный непроводник, потому что в нем нет свободных электронов. Если повышения температуры нет, связь валентных электронов с атомными ядрами ослабевает и некоторые из них вследствие теплового движения могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится свободным (на рис. 1, б — черная точка), а там, где он был до этого, образуется пустое место. Это пустое место в межатомной связи полупроводника условно называют дыркой (на рис. 1 ,б — разорвавшаяся линия). Чем выше температура, тем больше появляется свободных электронов и дырок. Таким образом, образование в массе полупроводника дырки связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а возникновение дырки соответствует появлению положительного электрического заряда, равного отрицательному электрона.

Рис 1. Схема взаимосвязи атомов в кристале полупроводника (а) и упрощенная схема его структуры (б).

А теперь рассмотри рис. 2. На нем схематично изображено явление возникновения тока в полупроводнике. Причиной возникновения тока служит напряжение, приложенное к полюсам (на рис. 2 источник напряжения символизируют знаки « + » и « — ») . Вследствие тепловых явлений во всей массе полупроводника высвобождается из межатомных связей некоторое количество электронов (на рис. 2 они обозначены точками со стрелками). Электроны, освобождавшиеся вблизи положительного полюса источника напряжения, притягиваются этим полюсом и уходят из массы полупроводника, оставляя после себя дырки. Электроны, ушедшие из межатомных связей на некотором удалении от положительного полюса, тоже притягиваются им и движутся в его сторону. Но, встретив на своем пути дырки, электроны как бы «впрыгивают» в них (рис. 2, а), происходит заполнение межатомных связей. А ближние к отрицательному полюсу дырки заполняются другими электронами, вырвавшимися из атомов, расположенных еще ближе к отрицательному полюсу (рис. 2, б). Пока в полупроводнике действует электрическое поле, этот процесс продолжается: нарушаются одни межатомные связи — из них уходят валентные электроны, возникают дырки — и заполняются другие межатомные связи — в дырки «впрыгивают» электроны, освободившиеся из каких — то других межатомных связей (рис. 2, б-в).

Рис 2. Схема движения электронов и дырок.

При температуре выше абсолютного нуля в полупроводнике непрерывно возникают и исчезают свободные электроны и дырки даже тогда, когда нет внешних электрических полей. Но электроны и дырки движутся хаотически в разные стороны и не уходят за пределы полупроводника. В чистом полупроводнике число высвободившихся в каждый момент времени электронов равно числу образующихся при этом дырок . Общее же их число при комнатной температуре относительно невелико. Поэтому электропроводность такого полупроводника, (называемая собственной) , мала, он оказывает электрическому току довольно большое сопротивление. Но если в чистый полупроводник добавить даже ничтожное количество примеси в виде атомов других элементов, электропроводность его резко повысится. При этом в зависимости от структуры атомов примесных элементов электропроводность полупроводника будет электронной или дырочной .

Электронная проводимость

Если какой-либо атом в кристалле полупроводника заменить атомом сурьмы, имеющим во внешнем слое электронной оболочки пять валентных электронов, этот атом — «пришелец» четырьмя электронами свяжется с четырьмя соседними атомами полупроводника. Пятый же валентный электрон атома сурьмы окажется «лишним» и станет свободным. Чем больше в полупроводник будет введено атомов сурьмы, тем больше в его массе окажется свободных электронов. Следовательно, полупроводник с примесью сурьмы приближается по своим свойствам к металлу: для того чтобы через него проходил электрический ток, в нем не обязательно должны разрушаться межатомные связи. Их называют полупроводниками с электропроводностью или типа (n). Здесь латинская буква n — начальная буква латинского слова negativ (негатив), что значит «отрицательный» . Этот термин в данном случае нужно понимать в том смысле, что в полупроводнике типа n основными носителями тока являются отрицательные заряды, т.е. электроны.

Дырочная проводимость

Совсем иная картина получится, если в полупроводник ввести атомы с тремя валентными электронами, например индия. Каждый атом металла индия своими тремя электронами заполнит связи только с тремя соседними атомами полупроводника, а для заполнения связи с четвертым у него не хватает одного электрона. Образуется дырка. Она, конечно, может заполниться каким — либо электроном, вырвавшимся из валентной связи с другими атомами полупроводника. Однако независимо от того, где будут дырки, в массе полупроводника с примесью индия не будет хватать электронов для их заполнения. И чем больше будет введено в полупроводник примесных атомов индия, тем больше в нем образуется дырок. Чтобы в таком полупроводнике электроны могли перемещаться, совершенно обязательно должны разрушаться валентные связи между атомами. Вырвавшиеся из них электроны или же электроны, поступившие в полупроводник извне, движутся от дырки к дырке. А во всей массе полупроводника в любой момент времени число дырок будет больше общего числа свободных электронов. Их называют полупроводниками с дырочной электропроводностью или тип (р). Латинская буква р — первая буква латинского слова positiv (позитив), что значит «положительный». Этот термин в данном случае нужно понимать в том смысле, что явление электрического тока в массе полупроводника типа (р) сопровождается непрерывным возникновением и исчезновением положительных зарядов — дырок. Перемещаясь в массе полупроводника, дырки как бы являются носителями тока. Полупроводники типа р, так же как и типа n, обладают во много раз лучшей электропроводностью по сравнению с чистыми.
Надо сказать, что практически не существует как совершенно чистых полупроводников, так и абсолютно электропроводимых типов n и р. В полупроводнике с примесью индия обязательно есть небольшое количество атомов некоторых других элементов, придающих ему электронную проводимость, а с примесью сурьмы есть атомы элементов, создающих в нем дырочную электропроводность. Например, в полупроводнике, имеющем в целом электропроводность типа n, есть дырки, которые могут заполняться свободными электронами примесных атомов сурьмы. Вследствие этого электропроводность несколько ухудшится, но в целом он сохранит электронную проводимость. Аналогичное явление будет наблюдаться и в том случае, если в полупроводник с дырочным характером попадут свободные электроны.

Поэтому в полупроводниках типа n — основными носителями тока являются электроны (преобладает электронная электропроводность), а к полупроводниках типа р — основными носителями тока являются дырки (преобладает дырочная электропроводность).

Полупроводники характеризуются как свойствами проводников , так и диэлектриков . В полупроводниковых кристаллах атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в кристалле кремния, как и алмаза, связан двумя атомами), электронам необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома (1,76·10 −19 Дж против 11,2·10 −19 Дж, чем и характеризуется отличие между полупроводниками и диэлектриками). Эта энергия появляется в них при повышении температуры (например, при комнатной температуре уровень энергии теплового движения атомов равняется 0,4·10 −19 Дж), и отдельные атомы получают энергию для отрыва электрона от атома. С ростом температуры число свободных электронов и дырок увеличивается, поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное сопротивление уменьшается. Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией связи электронов меньшей чем 1,5-2 эВ. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

Дырка

Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Это обуславливает переход электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешёл электрон, входит другой электрон из другого атома и т. д. Это обуславливается ковалентными связями атомов. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда без перемещения самого атома. Этот условный положительный заряд называют дыркой .

Собственная плотность

При термодинамическом равновесии, плотность электронов полупроводника связана с температурой следующим соотношением:

- Постоянная Планка - масса электрона - температура ; - уровень проводимой зоны - уровень Ферми ;

Также, плотность дырок полупроводника связана с температурой следующим соотношением:

- Постоянная Планка ; - масса дырки; - температура ; - уровень Ферми ; - уровень валентной зоны.

Собственная плотность связана с и следующим соотношением:

Виды полупроводников

По характеру проводимости

Собственная проводимость

Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок».

Проводимость связана с подвижностью частиц следующим соотношением:

где - удельное сопротивление, - подвижность электронов , - подвижность дырок, - их концентрация, q - элементарный электрический заряд (1,602·10 −19 Кл).

Для собственного полупроводника концентрации носителей совпадают и формула принимает вид:

Примесная проводимость

Для создания полупроводниковых приборов часто используют кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами трехвалентного или пятивалентного химического элемента.

По виду проводимости

Электронные полупроводники (n-типа)

Полупроводник n-типа

Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными.

Проводимость N-полупроводников приблизительно равна:

Дырочные полупроводники (р-типа)

Полупроводник p-типа

Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными.

Проводимость p-полупроводников приблизительно равна:

Использование в радиотехнике

Полупроводниковый диод

Полупроводниковый диод состоит из двух типов полупроводников - дырочного и электронного. В процессе контакта между этими областями из области с полупроводником n-типа в область с полупроводником p-типа проходят электроны, которые затем рекомбинируют с дырками. Вследствие этого возникает электрическое поле между двумя областями, что устанавливает предел деления полупроводников - так называемый p-n переход . В результате в области с полупроводником p-типа возникает некомпенсированный заряд из отрицательных ионов, а в области с полупроводником n-типа возникает некомпенсированный заряд из положительных ионов. Разница между потенциалами достигает 0,3-0,6 В.

Связь между разницей потенциалов и концентрацией примесей выражается следующей формулой:

где - термодинамическое напряжение, - концентрация электронов, - концентрация дырок, - собственная концентрация .

В процессе подачи напряжения плюсом на p-полупроводник и минусом на n-полупроводник внешнее электрическое поле будет направлено против внутреннего электрического поля p-n перехода и при достаточном напряжении электроны преодолеют p-n переход, и в цепи диода появится электрический ток (прямая проводимость). При подаче напряжения минусом на область с полупроводником p-типа и плюсом на область с полупроводником n-типа между двумя областями возникает область, которая не имеет свободных носителей электрического тока (обратная проводимость). Обратный ток полупроводникового диода не равен нулю, так как в обоих областях всегда есть неосновные носители заряда. Для этих носителей p-n переход будет открыт.

Таким образом, p-n переход проявляет свойства односторонней проводимости, что обуславливается подачей напряжения с различной полярностью. Это свойство используют для выпрямления переменного тока .

Транзистор

Транзистор - полупроводниковое устройство, которое состоит из двух областей с полупроводниками p- или n-типа, между которыми находится область с полупроводником n- или p-типа. Таким образом, в транзисторе есть две области p-n перехода. Область кристалла между двумя переходами называют базой, а внешние области называют эмиттером и коллектором. Самой употребляемой схемой включения транзистора является схема включения с общим эмиттером, при которой через базу и эмиттер ток распространяется на коллектор.

Биполярный транзистор используют для усиления электрического тока.

Типы полупроводников в периодической системе элементов

В нижеследующей таблице представлена информация о большом количестве полупроводниковых элементов и их соединений, разделённых на несколько типов:

одноэлементные полупроводники IV группы периодической системы элементов ,
сложные: двухэлементные A III B V и A II B VI из третьей и пятой группы и из второй и шестой группы элементов соответственно.

Все типы полупроводников обладают интересной зависимостью ширины запрещённой зоны от периода, а именно - с увеличением периода ширина запрещённой зоны уменьшается.

Группа	IIB	IIIA	IVA	VA	VIA
Период
2		5	6	7
3		13	14	15	16
4	30	31	32	33	34
5	48	49	50	51	52
6	80

Физические свойства и применение

Прежде всего, следует сказать, что физические свойства полупроводников наиболее изучены по сравнению с металлами и диэлектриками . В немалой степени этому способствует огромное количество эффектов, которые не могут быть наблюдаемы ни в тех ни в других веществах, прежде всего связанные с устройством зонной структуры полупроводников, и наличием достаточно узкой запрещённой зоны. Конечно же, основным стимулом для изучения полупроводников является производство полупроводниковых приборов и интегральных микросхем - это в первую очередь относится к кремнию , но затрагивает и другие соединения ( , GaAs , InP , InSb).

В связи с тем, что технологи могут получать очень чистые вещества, встаёт вопрос о новом эталоне для числа Авогадро .

Легирование

Объёмные свойства полупроводника могут сильно зависеть от наличия дефектов в кристаллической структуре . И поэтому стремятся выращивать очень чистые вещества, в основном для электронной промышленности. Легирующие примеси вводят для управления величиной и типом проводимости полупроводника. Например, широко распространённый кремний можно легировать элементом V подгруппы периодической системы элементов - фосфором , который является донором , и создать n-Si. Для получения кремния с дырочным типом проводимости (p-Si) используют бор (акцептор). Также создают компенсированные полупроводники с тем чтобы зафиксировать уровень Ферми в середине запрещённой зоны.

Методы получения

Для получения монокристаллов полупроводников используют различные методы физического и химического осаждения. Наиболее прецизионный и дорогой инструмент в руках технологов для роста монокристаллических плёнок - установки молекулярно-лучевой эпитаксии , позволяющей выращивать кристалл с точностью до монослоя.

Оптика полупроводников

Поглощение света полупроводниками обусловлено переходами между энергетическими состояниями зонной структуры. Учитывая принцип запрета Паули , электроны могут переходить только из заполненного энергетического уровня на незаполненный. В собственном полупроводнике все состояния валентной зоны заполнены, а все состояния зоны проводимости незаполненные, поэтому переходы возможны лишь из валентной зоны в зону проводимости . Для осуществления такого перехода электрон должен получить от света энергию, превышающую ширину запрещённой зоны. Фотоны с меньшей энергией не вызывают переходов между электронными состояниями полупроводника, поэтому такие полупроводники прозрачны в области частот , где - ширина запрещённой зоны, - постоянная Планка . Эта частота определяет фундаментальный край поглощения для полупроводника. Для полупроводников, которые зачастую применяются в электронике (кремний , германий , арсенид галлия) она лежит в инфракрасной области спектра.

Дополнительные ограничения на поглощение света полупроводников накладывают правила отбора , в частности закон сохранения импульса . Закон сохранения импульса требует, чтобы квазиимпульс конечного состояния отличался от квазиимпульса начального состояния на величину импульса поглощённого фотона. Волновое число фотона , где - длина волны, очень мало по сравнению с волновым вектором обратной решётки полупроводника, или, что то же самое, длина волны фотона в видимой области намного больше характерного межатомного расстояния в полупроводнике, что приводит к требованию того, чтобы квазиимпульс конечного состояния при электронном переходе практически равнялся квазиимпульсу начального состояния. При частотах, близких к фундаментальному краю поглощения, это возможно только для прямозонных полупроводников . Оптические переходы в полупроводниках, при которых импульс электрона почти не меняется называются прямыми или вертикальными . Импульс конечного состояния может значительно отличаться от импульса начального состояния, если в процессе поглощения фотона участвует ещё одна, третья частица, например, фонон . Такие переходы тоже возможны, хотя и менее вероятны. Они называются непрямыми переходами .

Таким образом, прямозонные полупроводники, такие как арсенид галлия , начинают сильно поглощать свет, когда энергия кванта превышает ширину запрещённой зоны. Такие полупроводники очень удобны для использования в оптоэлектронике .

Непрямозонные полупроводники, например, кремний , поглощают в области частот света с энергией кванта чуть больше ширины запрещённой зоны значительно слабее, только благодаря непрямым переходам, интенсивность которых зависит от присутствия фононов, и следовательно, от температуры . Граничная частота прямых переходов кремния больше 3 эВ, то есть лежит в ультрафиолетовой области спектра.

При переходе электрона из валентной зоны в зону проводимости в полупроводнике возникают свободные носители заряда , а следовательно фотопроводимость .

При частотах ниже края фундаментального поглощения также возможно поглощение света, которое связано с возбуждением экситонов , электронными переходами между уровнями примесей и разрешенными зонами, а также с поглощением света на колебаниях решётки и свободных носителях. Экситонные зоны расположены в полупроводнике несколько ниже дна зоны проводимости благодаря энергии связи экситона. Экситонные спектры поглощения имеют водородоподобную структуру энергетических уровней. Аналогичным образом примеси, акцепторы или доноры , создают акцепторные или донорные уровни, лежащие в запрещённой зоне. Они значительно модифицируют спектр поглощения легированного полупроводника. Если при непрямозонном переходе одновременно с квантом света поглощается фонон, то энергия поглощенного светового кванта может быть меньше на величину энергии фонона, что приводит к поглощению на частотах несколько ниже по энергии от фундаментального края поглощения.

Список полупроводников

Полупроводниковые соединения делят на несколько типов:

простые полупроводниковые материалы - собственно химические элементы: бор B, углерод C, германий Ge, кремний Si, селен Se, сера S, сурьма Sb, теллур Te и йод I. Самостоятельное применение широко нашли германий, кремний и селен. Остальные чаще всего применяются в качестве легирующих добавок или в качестве компонентов сложных полупроводниковых материалов;
в группу сложных полупроводниковых материалов входят химические соединения, обладающие полупроводниковыми свойствами и включающие в себя два, три и более химических элементов. Полупроводниковые материалы этой группы, состоящие из двух элементов, называют бинарными , и так же, как это принято в химии, имеют наименование того компонента, металлические свойства которого выражены слабее. Так, бинарные соединения, содержащие мышьяк, называют арсенидами , серу - сульфидами , теллур - теллуридами , углерод - карбидами . Сложные полупроводниковые материалы объединяют по номеру группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева , к которой принадлежат компоненты соединения, и обозначают буквами латинского алфавита (A - первый элемент, B - второй и т. д.). Например, бинарное соединение фосфид индия InP имеет обозначение A III B V

Широкое применние получили следующие соединения:

A III B V

InSb, InAs, InP, GaSb, GaP, AlSb, GaN, InN

A II B V

CdSb, ZnSb

A II B VI

ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdTe, HgSe, HgTe, HgS

A IV B VI

PbS, PbSe, PbTe, SnTe, SnS, SnSe, GeS, GeSe

а также некоторые окислы свинца, олова, германия, кремния а также феррит, аморфные стёкла и многие другие соединения (A I B III C 2 VI , A I B V C 2 VI , A II B IV C 2 V , A II B 2 II C 4 VI , A II B IV C 3 VI).

На основе большинства из приведённых бинарных соединений возможно получение их твёрдых растворов: (CdTe) x (HgTe) 1-x , (HgTe) x (HgSe) 1-x , (PbTe) x (SnTe) 1-x , (PbSe) x (SnSe) 1-x и других.

Соединения A III B V , в основном, применяются для изделий электронной техники, работающих на сверхвысоких частотах

Соединения A II B V используют в качестве люминофоров видимой области, светодиодов , датчиков Холла , модуляторов.

Соединения A III B V , A II B VI и A IV B VI применяют при изготовлении источников и приёмников света, индикаторов и модуляторов излучений.

Окисные полупроводниковые соединения применяют для изготовления фотоэлементов , выпрямителей и сердечников высокочастотных индуктивностей.

Физические свойства соединений типа A III B V

Параметры	AlSb	GaSb	InSb	AlAs	GaAs	InAs
Температура плавления, К	1333	998	798	1873	1553	1218
Постоянная решётки,	6,14	6,09	6,47	5,66	5,69	6,06
Ширина запрещённой зоны ΔE , эВ	0,52	0,7	0,18	2,2	1,32	0,35
Диэлектрическая проницаемость ε	8,4	14,0	15,9	-	-	-
Подвижность, см²/(В·с):
электронов	50	5000	60 000	-	4000	3400
дырок	150	1000	4000	-	400	460
Показатель преломления света, n	3,0	3,7	4,1	-	3,2	3,2
Линейный коэффициент теплового расширения, K -1	-	6,9·10 -6	5,5·10 -6	5,7·10 -6	5,3·10 -6	-