Типы полупроводников. Свойства, практическое применение.

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

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

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

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

Характеристика полупроводников

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

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

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

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

Типы полупроводников, энергетический зазор

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

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

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

  Типы полупроводников, ширина запрещенной зоны

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

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

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

Примесная и собственная проводимость полупроводников

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

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

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

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

  Типы полупроводников, собственная проводимость

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

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

Одноэлементные полупроводники

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

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

  Типы полупроводников, кремний 

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

Двухэлементные соединения

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

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

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

  Типы полупроводников, полупроводниковые материалы

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

Типы полупроводников, оксиды

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

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

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

Слоистые кристаллы

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

  Типы полупроводников, слоистые кристаллы

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

Органические полупроводники

Примеры полупроводников на основе органических соединений – нафталин, полиацетилен (Ch3)n, антрацен, полидиацетилен, фталоцианиды, поливинилкарбазол. Органические полупроводники обладают преимуществом перед неорганическими: им легко придавать нужные качества. Вещества с сопряжёнными связями вида –С=С–С=, обладают значительной оптической нелинейностью и, благодаря этому, применяются в оптоэлектронике. Кроме того, зоны энергетического разрыва органических полупроводников изменяются изменением формулы соединения, что намного легче, чем у обычных полупроводников. Кристаллические аллотропы углерода фуллерен, графен, нанотрубки – тоже полупроводниками.

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

Магнитные полупроводники

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

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

Разнообразие полупроводниковых материалов

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

Видео, типы полупроводников

 

Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!

[wysija_form id=»1″]

powercoup.by

Свойства полупроводников

Свойства полупроводниковых материалов характеризуются сле­дующими показателями: собственная и примесная проводимости полупроводников, электропроводность полупроводников, оптические и фотооптические явления в полупроводниках, электронные процессы на поверхности полупроводников, контактные явления в полупроводниках.

1. Собственная проводимость полупроводников может быть рассмотрена на примере кремния, который является элементом IV группы Периодической системы химических элементов Д. И Менделеева. Эти элементы образуют алмазоподобную модификацию гранецентрированной кубической решетки, в которой каждый атом, распо­ложенный в узле кристаллической решетки, окружен четырьмя дру­гими атомами и связан с ними ковалентной связью. Так как при ковалентной связи каждый внешний электрон принадлежит одно­временно двум атомам, то внешние оболочки атомов содержит по восемь электронов. При этом все электроны внешних оболочек уча­ствуют в образовании ковалентных связей и свободные носители, создающие электропроводность, отсутствуют (рис. 4.2, а) Для того чтобы электрон превратился в свободный носитель заряда, необходимо сообщить ему дополнительную энергию, достаточную для разрыва ковалентной связи. Такая энергия определяется шириной запретной зоны и называется энергией активации

   (рис. 4. 3).

Рис. 4.2. Модель кристаллической решетки кремния

При разрыве ковалентной связи освободившийся электрон под действием тепловой энергии хаотически движется по объему полу­проводника. На месте оторвавшегося электрона остается положи­тельно заряженная незаполненная связь с зарядом, который равен заряду электрона, называемая дыркой. На зонной диаграмме (рис. 4.3) электрону соответствует зона проводимости W_c, а дырке — не­занятое электроном состояние в валентной зоне W_v. При отсутствии внешнего электрического поля дырка, как и электрон, совершает хаотические движения.

При этом сама дырка, в отличие от электрона, не перемещается по кристаллу. Ее движение связано с тем, что за счет энергии тепловых колебаний решетки электрон соседней ковалентной связи может пополнить свободную ковалентную связь в атоме с дыркой. В резуль­тате этого атом, у которого за­полняются все связи, становится нейтральным, а в атоме, потеряв­шем электрон, образуется дырка (рис. 4.2, б). Таким образом со­здается впечатление движения дырок.

Процесс образования свободных отрицательно заряженных элек­тронов проводимости и положительно заряженных дырок прово­димости называют генерацией электронно-дырочных пар.

Одновременно с генерацией электронно-дырочных пар в полупроводнике происходит и обратный процесс, когда электроны возвращаются из зоны проводимости в валентную зону с выделением W. Этот процесс называют рекомбинацией носителей зарядом.

Проводимость полупроводника, которая возникает в результате разрыва собственных ковалентных связей, называется собственной.

Собственная электропроводность полупроводника складыва­ется из электронной электропроводности

и дырочной электро­проводности:

2) Примесная проводимость полупроводников обусловлена несовер­шенством кристаллической структуры полупроводника. Дефекты в кристаллической решетке вызывают образование дополнительных энергетических уровней внутри запретной зоны (рис. 4.4). Благодаря этому для перехода электрона с дополнительного уровня в зону про­водимости или из валентной зоны на дополнительный уровень требу­ется энергия, меньше ширины запретной зоны

W. В случае перехода электрона с дополнительного энергетического уровня в зону прово­димости появляется дополнительный электрон проводимости. При переходе электрона с валентной зоны на дополнительный энергети­ческий уровень образуется дополнительная дырка проводимости.

Если в кристаллической решетке кремния находится атом при­меси, который представляет собой элемент V группы Периодичес­кой системы химических элементов Д. И. Менделеева, например фос­фор (рис. 4.5), то четыре из пяти валентных электронов фосфора будут участвовать в формировании ковалентных связей с соседни­ми атомами основного элемента кремния. Пятый валентный элект­рон фосфора связан только со своим атомом, и прочность этой свя­зи много меньше прочности ковалентной связи. Для перехода это­го электрона на дополнительный энергетический уровень W

д (см. рис. 4.4) требуется энергия, много меньше энергии ширины запрет­ной зоны W. Оторвавшийся от атома фосфора пятый электрон превращается в электрон проводимости. На месте оторвавшегося электрона образуется дырка, которую не могут за­полнить электроны других атомов фосфора, так как концентрация его в кремнии очень мала и его атомы расположены далеко друг от дру­га.

Следовательно, дырка остает­ся неподвижной, дырочная прово­димость в таком полупроводнике отсутствует и его проводимость носит электронный характер.

Полупроводники с преобладанием электронной электропровод­ности называют электронными или n-типа (и — nigative — отрица­тельный). Электроны в полупроводнике n-типа называют основны­ми носителями заряда, а дырки — неосновными носителями.

Дефекты, которые вызывают появление в полупроводнике до­полнительных свободных электронов, называют донорами, а элект­ропроводность, обусловленную донорной примесью, называют электронной. Энергетические уровни W_д при электронной прово­димости расположены вблизи зоны проводимости W

c (см. рис. 4.4).

Рис. 4.5. Модели кристаллической решетки донорного (а) и акцепторного (б) полупроводников

Если в кристаллической решетке кремния находится атом примеси, который представляет собой элемент III группы таблицы Д. И. Мен­делеева, например бора, то все три валентных электрона бора уча­ствуют в образовании ковалентных связей с кремнием. А одна связь кремния остается незаполненной. Эту связь можно заполнить электроном соседнего атома кремния, образовав четвертую ковалентную связь с примесным атомом бора. Для этого электрон должен полу­чить энергию W

а, значительно меньшую, чем энергия запретной зоны (см. рис. 4.4).

Приняв дополнительный электрон, атом бора ионизируется и ста­новится отрицательным ионом. При этом одна из четырех связей соседнего атома кремния остается незавершенной, т.е. образуется дырка. В результате тепловых колебаний решетки эта незавершен­ная связь может быть заполнена электроном соседнего атома, обра­зуя новую дырку. Таким образом в результате исчезновения одних дырок и образования новых происходит хаотичное движение дырок в пределах кристалла, которые являются носителями заряда. Поэто­му электропроводность полупроводника носит дырочный характер.

Дефекты, которые вызывают появление в полупроводнике дополнительных дырок проводимости, называют акцепторными, а электропроводность, обусловленную акцепторной примесью, — ды­рочной. Энергетические уровни акцепторных дефектов W_d как пра­вило, находятся вблизи потолка валентной зоны W_v. Соответствен­но полупроводники с преобладанием дырочной электропроводно­сти называют дырочными или р-типа (р — positive — положительный). В полупроводнике р-типа основными носителями заряда являются дырки, а неосновными — электроны.

Введение примесей в полупроводник приводит к появлению при­месной электропроводности, возникающей в результате ионизации атомов примесей. В отличие от собственной примесная электропро­водность образуется благодаря наличию носителей заряда только одного знака (электронов в полупроводниках n-типа и дырок в по­лупроводниках p-типа).

Возможность управлять значением и типом электропроводнос­ти полупроводников в результате введения примесей лежит в осно­ве создания всех полупроводниковых приборов.

Процесс контролируемого введения в полупроводник необхо­димых примесей называют легированием.

Если примеси внедряются между узлами кристаллической решет­ки, то их называют примесями внедрения. При этом тип проводимо­сти определяется в основном относительными размерами атома.

В том случае, когда атом примеси замещает атом полупроводника и занимает его место в узле кристаллической решетки, то та­кие примеси называют примесями замещения.

Атомы многих примесей могут и замещать атомы полупровод­ника в узлах кристаллической решетки, и внедряться в междоузлие. Такие примеси называют амфотерными. Они могут быть донорами и акцепторами.

Реальные полупроводниковые материалы содержат донорные и акцепторные примеси. Если концентрация донорных примесей N_д больше концентрации акцепторных примесей N_а, то концентрация свободных электронов будет больше концентрации дырок (n>р). Электроны являются основными носителями, а дырки — неоснов­ными, и в полупроводнике преобладает электронная электропроводность.

Когда концентрация акцепторных примесей N_a больше концентрации донорных примесей N_д , то основными носителями заряда становятся дырки и в полупроводнике преобладает дырочная электропроводность.

Примеси, которые не оказывают влияния на электропроводность полупроводников, называют нейтральными.

На свойства полупроводниковых материалов оказывают влияние также и другие дефекты кристаллической структуры: дислокации, вакансии и др. Но управлять электропроводностью полупроводников, используя эти дефекты, невозможно. Поэтому в производстве стремятся получить полупроводниковые материалы с минимально возможным содержанием дефектов кристаллической структуры, а затем производят легирование.

3) Электропроводность полупроводников.

При отсутствии внешнего электрического поля носители заряда в полупроводнике (электроны и дырки) совершают хаотичные движения в пределах кристалла. В результате приложения внешнего поля электроны начинают двигаться в направлении, противоположном направлению поля, а дырки — в направлении поля.

В собственном полупроводнике носителями заряда являются свободные электроны и дырки, концентрации которых одинаковы.

Удельная электрическая проводимость собственного полупро­водника определяется суммой электроннойи дырочной:

для полупроводника с собственной проводимостью n=p,

Удельная электрическая проводимость полупроводника n-типа определяется суммой примесной и собственнойудельной элек­трической проводимости:

где ;— концентрация свободных электронов, образовавшихся за счет ионизации донорной примеси, т.е. в результате перехода электронов с донорных уровней в зону проводимости.

При комнатной температуре у германия и кремния собствен­ная удельная электрическая проводимость значительно мень­ше примесной удельной электрической проводимости, так как донорная примесь полностью ионизована, а собственная электро­проводность проявляется слабо. При повышении температуры соб­ственная удельная электропроводность увеличивается и в опреде­ленный момент становится больше примесной. Например, для гер­мания с= 0,1 Омм собственная электропроводность начинает преобладать над примесной при температуре 90°С, а для случая с = 10^-5 Омм — при 500°С

Для полупроводника р-типа удельная электрическая проводимость

где ,р_а — концентрация дырок, образовавшихся за счет ионизации акцепторной примеси, т. е. в результате перехода электронов из валентной зоны на акцепторные уровни.

4) Температурная зависимость удельной проводимости

Удельная электрическая про­водимость полупроводников оп­ределяется концентрацией сво­бодных носителей заряда и их подвижностью. Подвижность носителей заряда определяет­ся их эффективной массой, ско­ростью и частотой столкновений с узлами и дефектами кристаллической решетки и в целом слабо зависит от температуры. Поэтому на характер зависимости электропроводимости от температуры основное влияние оказывает концентрация носителей заряда.

При комнатной температуре концентрация примесных носителей заряда преобладает над соб­ственной. При дальнейшем повышении температуры происходит истощение примеси, т.е. все валентные электроны примеси перехо­дят в зону проводимости и рост проводимости прекращается (рис. 4.6, участок 2-3). Проводимость остается постоянной до тех пор, пока температура не повысится настолько, что тепловой энергии станет достаточно, чтобы собственные электроны могли перейти в зону проводимости, преодолев запретную зону. Благодаря этому переходу концентрация носителей заряда начнет резко воз­растать за счет собственных электронов (участок 3-4). Концентра­ция собственных атомов полупроводника на несколько порядков больше концентрации атомов примесей, поэтому собственная про­водимость при этой температуре значительно больше примесной. Следовательно, собственная проводимость является определяющей. При высоких температурах полупроводники по проводимости приближаются к проводникам.

При большой концентрации примесей зона дополнительных энергетических уровней сливается с зоной проводимости. В этом случае уже при комнатной температуре все валентные электроны примеси находятся в зоне проводимости, являясь носителями заря­дов, и их концентрация не зависит от температуры. Такой полу­проводник называют вырожденным примесным полупроводником. В таком полупроводнике концентрация примесей не влияет на соб­ственную проводимость.

Повышение проводимости полупроводников с ростом температу­ры свидетельствует о том, что полупроводники обладают отрицательным температурным коэффициентом удельного электрического сопро­тивления ТК. Эту зависимость используют для создания полупровод­никовых первичных преобразователей температуры — термисторов, ;

Собственная электрическая проводимость кремния и германия проявляется при сравнительно низких температурах, поэтому тем­пературный диапазон большинства полупроводниковых приборов невелик (до 100… 150 °С).

5) Влияние деформации на электропроводность полупроводников

Электропроводность твердых кристаллических тел изменяется от деформации вследствие увеличения или уменьшения (растяжение, сжатие) междуатомных расстояний, приводящего к изменению концентрации и подвижности носителей.

Величиной, численно характеризующей изменение удельной проводимости (удельного сопротивления) полупроводников при определенном виде деформации, является тензочувствительность

,

которая представляет собой отношение относительного изменения удельного сопротивления полупроводника к относительной дефор­мации в данном направлении .

6) воздействие света на электропроводность полупроводников

Световая энергия, поглощаемая полупроводником, вызывает по­явление в нем избыточного (по сравнению с равновесным при данной температуре) количества носителей зарядов, приводящего к воз­растанию электропроводности.

Фотопроводимостью называют увеличе­ние электрической проводимости веще­ства под действием электромагнитного излучения.

В фотопроводимости обнаруживается квантовая природа света. Энергия фотона

затрачивается в собственном полупро­воднике на образование электронно-дырочных пар за счет переброса электронов из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому суще­ствует граничная длина волны, определяемая энергией кванта, до­статочной для перехода электрона с самого верхнего уровня валент­ной зоны на самый нижний уровень зоны проводимости, т. е. равная ширине запрещенной зоны полупроводника. Отсюда по длинно­волновому краю фотопроводимости (ДКФ) можно определить ширину запрещенной зоны полупроводника. Так как запрещенная зона различных полупроводниковых веществ имеет ширину от деся­тых долей электрон-вольта до 3 эВ, то фотопроводимость может обнаруживаться в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой части электромагнитного спектра. Наличие «теплового хвоста» (т. е. небольшой фотопроводимости), вызываемое квантами света с энергией, несколько меньшей ширины запрещенной зоны полупроводника, можно объяснить двумя физическими явлениями:

1. Отдельные электроны могут оказаться под суммарным воздей­ствием энергии фотонов и энергии тепловых колебаний кристалли­ческой решетки. Тогда эти электроны перейдут в зону проводимости.

2. Ширина запрещенной зоны не является абсолютно постоянной

7) влияние сильных электрических полей на электропроводимость полупроводников

Рис. 4.8. Зависимость удельной проводимости полупроводника от напряженности электрического поля при различных температурах (Т₁>Т₂)

Электропроводность полупроводников зависит от напряженности электрического поля. Как видно из рис. 4.8, при низких значениях напряженности поля (до некоторого критического значения Е_к) соблюдается закон Ома, и удельная проводимость не зависит от на­пряженности поля, а при более высоких напряженностях поля начинается интенсивный рост удельной проводимости по экспонен­циальному закону, приводящий к разрушению структуры полупро­водника. С ростом температуры кривая удельной проводимости перемещается вверх, а наклон возрастающей части становится меньше.

Возрастание проводимости обусловлено ростом числа носителей заряда, так как под влиянием поля они легче освобождаются тепло­вым возбуждением. При дальнейшем росте поля может появиться механизм ударной ионизации, иногда приводящий к разрушению структуры полупроводника.

8) Контактные явления в полупроводниках возникают вокруг гра­ницы раздела контактного электрического поля. Воздействие его на поверхностные слои полупроводника аналогично воздействию некоторого внешнего электрического поля.

Если одна область полупроводника обладает электронной про­водимостью, а другая — дырочной, то границу между этими обла­стями называют электронно-дырочным переходом или р-n-переходом. Получить р-n-переход при механическом соприкосновении полупроводников с различным типом проводимости невозмож­но. Для получения р-n-перехода одну часть полупроводника ле­гируют донорной, а другую — акцепторной примесью. В результа­те одна часть полупроводника обладает электронной электропро­водностью, а другая — дырочной. При соприкосновении электро­ны диффундируют в р-область, где велика концентрация дырок, и рекомбинируют с дырками. Аналогично дырки диффундируют в n-область, где велика концентрация электронов. В результате этого у границы раздела n-области остаются нескомпенсированные ионы донорной примеси, которые создают объемный положительный заряд. У границы раздела p-области нескомпенсированные ионы акцепторов создают объемный отрицательный заряд. Таким об­разом, в области раздела полупроводников n-типа и p-типа обра­зуется зона, содержащая свободные носители заряда. Эта область составляет толщину р-n-перехода. При этом образовавшийся по­ложительный объемный заряд нескомпенсированных ионов до­норной примеси препятствует дальнейшей диффузии дырок из p-области в n-область.

Отрицательный объемный заряд ионов акцепторной примеси препятствует диффузии электронов в р-область. Таким образом нескомпенсированные ионы примеси создают на границе раздела потенциальный барьер для основных носителей заряда. Для преодоления этого барьера основные носители должны обладать дос­таточной кинетической энергией. С помощью приложения внешне­го поля высоту потенциального барьера можно увеличивать или уменьшать, меняя полярность.

Рис.4.9. p-n-переход

9) Вольт-амперная характеристика диода

Рис.4.10. ВАХ выпрямительного диода

ПЕРЕХОД МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК

В современных полупроводнико¬вых приборах кроме электронно-дырочных переходов применяют так¬же контакт между металлом и полу¬проводником.

Процессы в таких переходах за¬висят от работы выхода электронов, т.е. от той энергии, которую должен затратить электрон, чтобы выйти из металла или полупроводника. Чем меньше работа выхода, тем больше электронов может выйти из данного тела. В различных металлополупроводниковых переходах может возни¬кать как выпрямляющий, так и невы¬прямляющий переход.

Невыпрямляющий (омический) переход

Если в контакте металла с полупроводником n-типа (рис. 7) работа выхо¬да электронов из металла Ам меньше, чем работа выхода из полупроводника Аn, то будет преобладать выход электронов из металла в полупроводник.

В слое полупроводника около границы накапливаются основные носители (электроны), и этот слой становится обогащенным, т.е. в нем увеличивается концентрация электронов. Сопротивление этого слоя будет малым при любой полярности приложенного напряжения.

Такой переход не обладает выпрямляющим свойством. Его называют невыпрямляющим (омическим) контактом.

Рис. 7. Омический переход

Подобный же невыпрямляющий переход получается в контакте металла с полупроводником p-типа (рис. 7), если работа выхода электронов из полупро¬водника меньше, чем работа выхода из металла (Аnр<Ам). В этом случае из по¬лупроводника в металл уходит больше электронов, чем в обратном направле¬нии. В приграничном слое полупроводника также образуется область, обога¬щенная основными носителями (дырками), имеющая малое сопротивление.

Оба типа невыпрямляющих контактов широко используются в полупро¬водниковых приборах при устройстве выводов от n- и p-областей. Для этой це¬ли подбираются соответствующие металлы.

Выпрямляющий переход

Рассмотрим контакт полупроводника n-типа с металлом, когда Ам>Ап.n, (рис. 8,а). Электроны будут переходить главным образом из полупроводника в металл, и в приграничном слое полупроводника образуется область, обеднен¬ная основными носителями и имеющая большое сопротивление. Кроме того, переход электронов приводит к появлению контактной разности потенциалов.

Если к переходу подключить внешнее напряжение, причем «минус» к по¬лупроводнику, а «плюс» к металлу, то внешнее электрическое поле компенси¬рует внутреннее. Потенциальный барьер уменьшается, а ток основных носите¬лей (электронов) из n-области увеличивается — переход открыт. При смене по¬лярности («минус» к металлу, «плюс» к полупроводнику) внешнее электрическое поле суммируется с внутренним, потенциальный барьер увеличивается, и переход не пропускает ток — закрыт.

Таким образом, переход между металлом и полупроводником обладает вентильными свойствами. Его называют барьером Шоттки.

Аналогичные процессы имеют место при контакте металла с полупровод¬ником p-типа, когда Ам<Ап.р. Значительно большее количество электронов бу¬дет переходить из металла в полупроводник. Их рекомбинация с дырками в по¬лупроводнике приведет к уменьшению концентрации носителей в пригранич¬ном слое — создается обедненный слой и контактная разность потенциалов (рис. 8,б).

Рис. 8. Выпрямляющий переход

Подключение внешнего напряжения плюсом к полупроводнику, а мину¬сом к металлу снижает потенциальный барьер. Через переход течет ток, обу¬словленный переходом электронов из металла в полупроводник — переход от¬крыт.

Обратное включение увеличивает потенциальный барьер. Через переход будут течь лишь неосновные носители полупроводника р-типа — электроны. Так как их концентрация мала, то ток через переход практически не течет — пе¬реход закрыт.

Выпрямляющий переход металл-полупроводник тоже используется для создания приборов с односторонней проводимостью, как и n-p-переход.

studfile.net

Свойства полупроводников. Устройство и работа. Применение

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 10⁶ до 10⁸ 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 10⁶ 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 10²², то при комнатной температуре в металлах число электронов проводимости не меньше числа атомов, т.е. также порядка 10²², при этом в чистом германии концентрация носителей заряда порядка 10¹³ см^-3, а в кремнии 10¹⁰ 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.

Другие 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.

Похожие темы:

electrosam.ru

Полупроводники. Структура полупроводников. Типы проводимости и возникновение тока в полупроводниках.

Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. На сайте есть раздел посвященный начинающим радиолюбителям, но пока что для начинающих, делающих первые шаги в мир электроники, я толком ничего и не написал. Восполняю этот пробел, и с этой статьи мы начинаем знакомиться с устройством и работой радиокомпонентов (радиодеталей).

Начнем с полупроводниковых приборов. Но чтобы понять, как работает диод, тиристор или транзистор, надо представлять, что такое полупроводник. Поэтому мы, сначала изучим структуру и свойства полупроводников на молекулярном уровне, а затем уже будем разбираться с работой и устройством полупроводниковых радиокомпонентов.

Общие понятия.

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

Это большая группа веществ, применяемых в радиотехнике (германий, кремний, селен, окись меди), но для изготовления полупроводниковых приборов используют в основном только Кремний (Si) и Германий (Ge).

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

Свойства полупроводников.

Электропроводность проводников сильно зависит от окружающей температуры.
При очень низкой температуре, близкой к абсолютному нулю (-273°С), полупроводники не проводят электрический ток, а с повышением температуры, их сопротивляемость току уменьшается.

Если на полупроводник навести свет, то его электропроводность начинает увеличиваться. Используя это свойство полупроводников, были созданы фотоэлектрические приборы. Также полупроводники способны преобразовывать энергию света в электрический ток, например, солнечные батареи. А при введении в полупроводники примесей определенных веществ, их электропроводность резко увеличивается.

Строение атомов полупроводников.

Германий и кремний являются основными материалами многих полупроводниковых приборов и имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона.

Атом германия состоит из 32 электронов, а атом кремния из 14. Но только 28 электронов атома германия и 10 электронов атома кремния, находящиеся во внутренних слоях своих оболочек, прочно удерживаются ядрами и никогда не отрываются от них. Лишь только четыре валентных электрона атомов этих проводников могут стать свободными, да и то не всегда. А если атом полупроводника потеряет хотя бы один электрон, то он становится положительным ионом.

В полупроводнике атомы расположены в строгом порядке: каждый атом окружен четырьмя такими же атомами. Причем они расположены так близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг соседних атомов, тем самым связывая атомы в единое целое вещество.

Представим взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника в виде плоской схемы.
На схеме красные шарики с плюсом, условно, обозначают ядра атомов (положительные ионы), а синие шарики – это валентные электроны.

Здесь видно, что вокруг каждого атома расположены четыре точно таких же атома, а каждый из этих четырех имеет связь еще с четырьмя другими атомами и т.д. Любой из атомов связан с каждым соседним двумя валентными электронами, причем один электрон свой, а другой заимствован у соседнего атома. Такая связь называется двухэлектронной или ковалентной.

В свою очередь, внешний слой электронной оболочки каждого атома содержит восемь электронов: четыре своих, и по одному, заимствованных от четырех соседних атомов. Здесь уже не различишь, какой из валентных электронов в атоме «свой», а какой «чужой», так как они сделались общими. При такой связи атомов во всей массе кристалла германия или кремния можно считать, что кристалл полупроводника представляет собой одну большую молекулу. На рисунке розовым и желтым кругами показана связь между внешними слоями оболочек двух соседних атомов.

Электропроводность полупроводника.

Рассмотрим упрощенный рисунок кристалла полупроводника, где атомы обозначаются красным шариком с плюсом, а межатомные связи показаны двумя линиями, символизирующими валентные электроны.

При температуре, близкой к абсолютному нулю полупроводник не проводит ток, так как в нем нет свободных электронов. Но с повышением температуры связь валентных электронов с ядрами атомов ослабевает и некоторые из электронов, вследствие теплового движения, могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится «свободным», а там где он находился до этого, образуется пустое место, которое условно называют дыркой.

Чем выше температура полупроводника, тем больше в нем становится свободных электронов и дырок. В итоге получается, что образование «дырки» связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а сама дырка становится положительным электрическим зарядом равным отрицательному заряду электрона.

А теперь давайте рассмотрим рисунок, где схематично показано явление возникновения тока в полупроводнике.

Если приложить некоторое напряжение к полупроводнику, контакты «+» и «-», то в нем возникнет ток.
Вследствие тепловых явлений, в кристалле полупроводника из межатомных связей начнет освобождаться некоторое количество электронов (синие шарики со стрелками). Электроны, притягиваясь положительным полюсом источника напряжения, будут перемещаться в его сторону, оставляя после себя дырки, которые будут заполняться другими освободившимися электронами. То есть, под действием внешнего электрического поля носители заряда приобретают некоторую скорость направленного движения и тем самым создают электрический ток.

Например: освободившийся электрон, находящийся ближе всего к положительному полюсу источника напряжения притягивается этим полюсом. Разрывая межатомную связь и уходя из нее, электрон оставляет после себя дырку. Другой освободившийся электрон, который находится на некотором удалении от положительного полюса, также притягивается полюсом и движется в его сторону, но встретив на своем пути дырку, притягивается в нее ядром атома, восстанавливая межатомную связь.

Образовавшуюся новую дырку после второго электрона, заполняет третий освободившийся электрон, находящийся рядом с этой дыркой (рисунок №1). В свою очередь дырки, находящиеся ближе всего к отрицательному полюсу, заполняются другими освободившимися электронами (рисунок №2). Таким образом, в полупроводнике возникает электрический ток.

Пока в полупроводнике действует электрическое поле, этот процесс непрерывен: нарушаются межатомные связи — возникают свободные электроны — образуются дырки. Дырки заполняются освободившимися электронами – восстанавливаются межатомные связи, при этом нарушаются другие межатомные связи, из которых уходят электроны и заполняют следующие дырки (рисунок №2-4).

Из этого делаем вывод: электроны движутся от отрицательного полюса источника напряжения к положительному, а дырки перемещаются от положительного полюса к отрицательному.

Электронно-дырочная проводимость.

В «чистом» кристалле полупроводника число высвободившихся в данный момент электронов равно числу образующихся при этом дырок, поэтому электропроводность такого полупроводника мала, так как он оказывает электрическому току большое сопротивление, и такую электропроводность называют собственной.

Но если в полупроводник добавить в виде примеси некоторое количество атомов других элементов, то электропроводность его повысится в разы, и в зависимости от структуры атомов примесных элементов электропроводность полупроводника будет электронной или дырочной.

Электронная проводимость.

Допустим, в кристалле полупроводника, в котором атомы имеют по четыре валентных электрона, мы заменили один атом атомом, у которого пять валентных электронов. Этот атом своими четырьмя электронами свяжется с четырьмя соседними атомами полупроводника, а пятый валентный электрон останется «лишним» – то есть свободным. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше окажется свободных электронов, а значит, такой полупроводник по своим свойствам приблизится к металлу, и чтобы через него проходил электрический ток, в нем не обязательно должны разрушаться межатомные связи.

Полупроводники, обладающие такими свойствами, называют полупроводниками с проводимостью типа «n», или полупроводники n-типа. Здесь латинская буква n происходит от слова «negative» (негатив) — то есть «отрицательный». Отсюда следует, что в полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются – электроны, а не основными – дырки.

Дырочная проводимость.

Возьмем все тот же кристалл, но теперь заменим его атом атомом, в котором только три свободных электрона. Своими тремя электронами он свяжется только с тремя соседними атомами, а для связи с четвертым атомом у него не будет хватать одного электрона. В итоге образуется дырка. Естественно, она заполнится любым другим свободным электроном, находящимся поблизости, но, в любом случае, в кристалле такого полупроводника не будет хватать электронов для заполнения дырок. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше будет дырок.

Чтобы в таком полупроводнике могли высвобождаться и передвигаться свободные электроны, обязательно должны разрушаться валентные связи между атомами. Но электронов все равно не будет хватать, так как число дырок всегда будет больше числа электронов в любой момент времени.

Такие полупроводники называют полупроводниками с дырочной проводимостью или проводниками p-типа, что в переводе от латинского «positive» означает «положительный». Таким образом, явление электрического тока в кристалле полупроводника p-типа сопровождается непрерывным возникновением и исчезновением положительных зарядов – дырок. А это значит, что в полупроводнике p-типа основными носителями заряда являются дырки, а не основными — электроны.

Теперь, когда Вы имеете некоторое представление о явлениях, происходящих в полупроводниках, Вам не составит труда понять принцип действия полупроводниковых радиокомпонентов.

На этом давайте остановимся, а в следующей части рассмотрим устройство, принцип работы диода, разберем его вольт-амперную характеристику и схемы включения.
Удачи!

Источник:

1. Борисов В.Г. — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Сайт academic.ru: http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/45172.

sesaga.ru

Свойства полупроводниковых материалов: применение полупроводников

Полупроводники это вещества, которые обладают промежуточными свойствами проводников и диэлектриков в отношении удельной проводимости. Сопротивление полупроводников характеризуется следующими особенностями:

• Сильная выраженная зависимость от количества и состава примесей в веществе;
• Повышение температуры вызывает уменьшение сопротивления.

Полупроводниковые элементы

Важно! При температуре, стремящейся к абсолютному нулю, все полупроводники становятся диэлектриками.

Механизм электрической проводимости

Проводимость таких материалов, как полупроводники, имеет иной характер, чем у обычных проводников. Главное условие возникновения тока в материалах – наличие достаточного количества свободных электронов. Кристаллическая структура полупроводниковых материалов характеризуется ковалентными химическими связями, когда каждый электрон ядра связан с двумя рядом стоящими атомами.

Электроны веществ участвуют в переносе заряда при получении некоторой энергии. Работа энергии для полупроводников имеет значение порядка единиц электрон-вольт (эВ). У проводников это значение меньше, у диэлектриков, соответственно, больше.

Дырка

Важная особенность рассматриваемых материалов – они могут обладать особым типом проводимости – дырочной. В электронной оболочке атома в момент отрыва и ухода электрона образуется свободное место, которое принято именовать дыркой. Соответственно, дырка имеет положительный заряд, направление движения противоположно потоку электронов.

Обратите внимание! Подвижность электронов выше, чем у дырок.

Электронная и дырочная проводимость

Энергетические зоны

Все вещества характеризуются энергетическими зонами электронов оболочки атома. Таких зон три:

• Зона проводимости;
• Запрещенная зона;
• Зона валентности.

Название запрещенной зоны говорит о том, что электрон находиться в ней не может. Поэтому для возникновения тока электрон должен переместиться в зону проводимости из стабильной валентной зоны. Чем шире запрещенная зона, тем свойства материала приближаются к диэлектрикам.

Энергетические зоны

Подвижность

При воздействии электрического поля в материалах начинается движение носителей заряда. В рассматриваемом случае это электроны и дырки. Зависимость между скоростью движения и величиной напряженности электрического поля при отсутствии влияния нагрева называется подвижностью. Рост числа взаимных столкновений является причиной того, что при увеличении концентрации подвижность падает.

Собственная плотность

Наличие запрещенной зоны не служит препятствием к образованию собственных носителей заряда. Плотность электронов и дырок определяется сложной зависимостью, которая показывает, что собственная плотность заряженных частиц растет при увеличении температуры.

Виды полупроводников

Множество веществ, к которым можно отнести полупроводники, классифицируется по величине и характеру проводимости.

По характеру проводимости

В силу того, используется чистое вещество либо, в которое внесены примеси, проводимость может иметь различный характер.

Собственная проводимость

В силу разных причин в чистых материалах могут появляться свободные электроны и дырки. В результате образуется собственная проводимость.

Важно! Собственная проводимость характеризуется равной концентрацией дырок и электронов.

Собственная проводимость германия

Примесная проводимость

Большая часть полупроводников, образованных четырехвалентными атомами, имеет собственную проводимость. При целенаправленном внесении примесей веществ третьей или пятой валентности получаются кристаллы, обладающие примесной проводимостью, в которых количество дырок и электронов прямо зависит от типа и количества примесных атомов на единицу объема чистого вещества.

По виду проводимости

Выше было рассмотрено, что в полупроводниках в процессе переноса заряда участвуют не только «традиционные» электроны, но и условные положительные заряды – дырки. Поэтому полупроводниковые материалы имеют два типа проводимости.

Электронные полупроводники (n-типа)

Присутствие в четырехвалентном веществе пятивалентной примеси приводит к тому, что пятый электрон примеси вынужден переместиться на более высокую орбиту, в результате чего на его освобождение требуется небольшое количество энергии.

Такие примесные полупроводники называют веществами n-типа, от слова «negative» – отрицательный. Примеси в данном случае называют донорными, так как они способствуют появлению в веществе свободных электронов.

Дырочные полупроводники (р-типа)

При добавлении трехвалентной примеси возникает противоположная ситуация, когда в кристаллической решетке четырехвалентного материала примесь забирает недостающий электрон, а в основном веществе образуется дырка. Такие примеси именуют акцепторными, а примесный полупроводник, соответственно, называется p-типа, поскольку «positive» – положительный.

Использование в радиотехнике

Каждый специалист, техник, обладающий познаниями в электронике, знает, что абсолютно вся современная электроника основана на применении полупроводниковых элементов. Любой аналоговый или цифровой (дискретный) прибор имеет в своей основе схемы, построенные с применением диодов и транзисторов.

Полупроводниковый диод

Одно из первых устройств, использующих свойства полупроводимости, – это полупроводниковый диод. Конструкция заключается в соединении пары полупроводников с разными типами проводимости.

В результате физических процессов движения электронов и дырок на границе веществ возникает электрическое поле, и образуется так называемый p-n переход.

P-n переход

P-n переход обладает свойством односторонней проводимости, то есть ток через диод возникает только при подключении p-области (анода) к полюсу источника напряжения, а n-области (катода) – к минусу.

Вольт-амперная характеристика диода

В обратной полярности ток также имеется, но его величина, по сравнению с прямым, намного меньше. Стабилитрон – вид диода, основная область его работы находится на обратной ветви характеристики. Параметр p-n перехода подобран таким образом, что в узкой области обратного тока напряжение на стабилитроне практически не меняется.

Первый диод – детектор, использовался еще в то время, когда теория полупроводников находилась в зачаточном состоянии.

Разнообразные диоды

Транзистор

Транзистор, или, как раннее его называли, триод, имеет две области из материала с одинаковой проводимостью и тонкую область полупроводника с другой. Принцип работы транзистора заключается в том, что малый ток в тонкой области, называемой базой, может управлять гораздо большим током через другие области, соответственно, коллектор и эмиттер.

В зависимости от схемы включения, транзистор может иметь различное назначение: как усилительный, генераторный и преобразовательный полупроводниковый элемент.

Применение полупроводников не ограничивается вышеперечисленными областями. Существуют изделия с тремя и более p-n переходами или вообще без них. Варистор – резистор с сопротивлением, зависящим от величины протекающего тока, тоже полупроводниковый элемент.

Виды транзисторов

Типы полупроводников в периодической системе элементов

В периодической таблице химэлементов полупроводники сосредоточены в периодах со 2-го по 6-й. Их делят на такие типы:

• Одноэлементные. Собственный полупроводник обычно принадлежит IV группе, реже используются элементы из других групп;
• Сложные – двух и более элементные.

Обратите внимание! Свойства полупроводниковых материалов характеризуются тем, что при увеличении номера группы ширина запрещенной зоны уменьшается.

Физические свойства и применение

Сильная зависимость собственной проводимости от значения температуры является основным физическим свойством полупроводников. Главным образом это выражается тем, что при температуре, близкой к абсолютному нулю, наблюдается полное отсутствие свободных носителей.

Некоторые вещества обладают оптическими свойствами. К примеру, простой чистый кремний используется в производстве солнечных батарей, сложные соединения, в особенности, арсенид галлия, применяются для изготовления светодиодов. Полупроводниковый лазер имеет малые габариты и высокие технические параметры, что позволило воплотить в жизнь оптоволоконные средства коммуникации.

Полупроводниковый лазер

Легирование

Характеристика полупроводника в сильной степени зависит от его чистоты. Выращивая в особых условиях сверхчистые монокристаллы вещества, необходимые свойства придают при помощи легирования (введения в состав донорных или акцепторных примесей).

Методы получения

Для выращивания монокристаллов высокой чистоты используют два метода:

• Метод Чохральского, при котором монокристалл выращивают из расплава вещества;
• Зонная плавка, когда очистка образца производится путем расплавления небольшого участка с постепенным продвижением зоны расплава подвижной индукционной катушкой.

Также физики используют методики химического и физического осаждения, которые позволяют создавать тонкие слои вещества вплоть до слоев в одну молекулу толщиной.

Зонная плавка

Оптика полупроводников

Многие полупроводники обладают оптическими свойствами, в частности, фотопроводимостью, то есть свойством изменения электрического сопротивления под воздействием электромагнитного излучения.

В оптоэлектронике наиболее часто используются такие материалы, которые поглощают излучение в том случае, когда ширина запрещенной зоны меньше энергии кванта. Основной материал оптоэлектроники – арсенид галлия.

Список полупроводников

Полупроводники примеры которых будут рассмотрены ниже, нашли самое широкое распространение. Группы обозначаются буквами с указанием валентности. Первый материал обозначается буквой «А», второй – буквой «В». Для упрощения буквенные символы иногда опускают, оставляя только валентное число. Далее приведен краткий перечень распространенных материалов.

Группа IV

• Германий;
• Кремний;
• Карбид кремния.

Группа III-V

Арсенид, фосфид, нитрид индия и галлия. Также сюда входит трехкомпонентный полупроводник арсенид галлия-индия.

Группа II-VI

Селенид, сульфид, теллурид цинка и кадмия.

Группа I-VII

Единственное вещество – хлорид мели.

Группа IV-VI

Сульфид, теллурид свинца и олова.

Группа V-VI

Висмута теллурид.

Группа II-V

• Фосфид цинка;
• Антимонид олова.

Другие

• Сульфид олова;
• Оксид меди;
• Железный оксид.

Органические полупроводники

Некоторые органические соединения также обладают полупроводниковыми свойствами:

• Органические красители;
• Ароматические соединения;
• Полимеры;
• Пигменты.

Магнитные полупроводники

Некоторые полупроводниковые материалы обладают свойствами ферромагнетиков, что позволяет создавать устройства с новыми областями применения.

Прошло то время, когда полупроводниковая техника была дорога и нетехнологична, по сравнению с электровакуумным оборудованием. В настоящее время вся электро,- и радиотехника базируется на монолитных полупроводниковых компонентах. Такие устройства имеют высокую надежность и стабильность параметров.

Видео

amperof.ru

ПОЛУПРОВОДНИКИ • Большая российская энциклопедия

ПОЛУПРОВОДНИКИ́, ве­ще­ст­ва, ха­рак­те­ри­зую­щие­ся элек­трич. про­во­ди­мо­стью $σ$, про­ме­жу­точ­ной ме­ж­ду про­во­ди­мо­стью хо­ро­ших про­вод­ни­ков, напр. ме­тал­лов ($σ≈10^4-10^6$ Ом^–1·см^–1), и хо­ро­ших ди­элек­три­ков ($σ≈10^{–12}-10^{–10}$ Ом^–1·см^–1) (про­во­ди­мость ука­за­на при ком­нат­ной темп-ре). Ха­рак­тер­ной осо­бен­но­стью П. яв­ля­ет­ся силь­ная за­ви­си­мость их про­во­ди­мо­сти от темп-ры, при­чём в дос­та­точ­но ши­ро­ком ин­тер­ва­ле темпе­ра­тур про­во­ди­мость П., в от­ли­чие от ме­тал­лов, экс­по­нен­ци­аль­но уве­ли­чи­ва­ет­ся с рос­том темп-ры $T$: $$σ=σ_0\exp(–ℰ_a/kT).\tag{*}$$ Здесь $k$ – по­сто­ян­ная Больц­ма­на, $ℰ_a$ – энер­гия ак­ти­ва­ции элек­тро­нов в П., ко­то­рая мо­жет ме­нять­ся от не­сколь­ких мэВ до не­сколь­ких эВ, $σ_0$ – ко­эф. про­пор­цио­наль­но­сти, ко­то­рый так­же за­ви­сит от темп-ры, но эта за­ви­си­мость бо­лее сла­бая, чем экс­по­нен­ци­аль­ная. С по­вы­ше­ни­ем темп-ры те­п­ло­вое дви­же­ние раз­ры­ва­ет часть хи­мич. свя­зей в ато­мах П. и элек­тро­ны, чис­ло ко­то­рых про­пор­цио­наль­но $\exp(–ℰ_a/kT)$, ста­но­вят­ся сво­бод­ны­ми и уча­ст­ву­ют в элек­трич. про­во­ди­мо­сти. Энер­гия, не­об­хо­ди­мая для то­го, что­бы ра­зо­рвать хи­мич. связь и сде­лать ва­лент­ный элек­трон сво­бод­ным, на­зы­ва­ет­ся энер­ги­ей ак­ти­ва­ции.

П. и ди­элек­три­ки от­но­сят к од­но­му клас­су ма­те­риа­лов; раз­ли­чие ме­ж­ду ни­ми яв­ля­ет­ся ско­рее ко­ли­че­ст­вен­ным, чем ка­че­ст­вен­ным. Про­во­ди­мость ди­элек­три­ков так­же име­ет ак­ти­ва­ци­он­ный ха­рак­тер, од­на­ко $ℰ_a$ для них со­став­ля­ет 10 эВ и бо­лее, по­это­му собств. про­во­ди­мость ди­элек­три­ков мог­ла бы стать су­ще­ст­вен­ной толь­ко при очень вы­со­ких темп-рах, при ко­то­рых уже на­сту­па­ют струк­тур­ные из­ме­не­ния ве­ще­ст­ва. В свя­зи с этим тер­мин «П.» час­то по­ни­ма­ют в уз­ком смыс­ле как со­во­куп­ность ве­ществ, по­лу­про­вод­ни­ко­вые свой­ст­ва ко­то­рых яр­ко вы­ра­же­ны при ком­нат­ной темп-ре (300 К).

Хи­мич. свя­зи мо­гут быть ра­зо­рва­ны не толь­ко те­п­ло­вым дви­же­ни­ем, но и разл. внеш­ни­ми воз­дей­ст­вия­ми: элек­тро­маг­нит­ным из­лу­че­ни­ем, по­то­ком бы­ст­рых час­тиц, де­фор­ма­ци­ей, силь­ным элек­т­рич. и маг­нит­ным по­ля­ми и др. По­это­му для П. ха­рак­тер­на вы­со­кая чув­ст­ви­тель­ность про­во­ди­мо­сти к внеш­ним воз­дей­ст­ви­ям, а так­же к кон­цен­тра­ции струк­тур­ных де­фек­тов и при­ме­сей.

Классификация полупроводников

По аг­ре­гат­но­му со­стоя­нию П. де­лят­ся на твёр­дые и жид­кие (см. Жид­кие по­лу­про­вод­ни­ки), по внутр. струк­ту­ре – на кри­стал­лич. и аморф­ные (см. Аморф­ные и стек­ло­об­раз­ные по­лу­про­вод­ни­ки), по хи­мич. со­ста­ву – на не­ор­га­ни­че­ские и ор­га­ни­че­ские. Наи­бо­лее ши­ро­ко изу­че­ны и ис­поль­зу­ют­ся в по­лу­про­вод­ни­ко­вой элек­тро­ни­ке кри­стал­лич. не­ор­га­нич. П. К ним от­но­сят­ся:

– эле­мен­тар­ные П. – эле­мен­ты IV груп­пы ко­рот­кой фор­мы пе­рио­дич. сис­те­мы хи­мич. эле­мен­тов – уг­ле­род С (гра­фит, ал­маз, гра­фен, на­нот­руб­ки), гер­ма­ний Ge и крем­ний Si (ба­зо­вый эле­мент боль­шин­ст­ва ин­те­граль­ных схем в мик­ро­элек­тро­ни­ке), эле­мен­ты VI груп­пы – се­лен Se и тел­лур Te, а так­же их со­едине­ния, напр. кар­бид крем­ния SiC, об­ра­зую­щий слои­стые струк­ту­ры, и не­пре­рыв­ный ряд твёр­дых рас­тво­ров Si_xGe_1–x;

– со­еди­не­ния A^IIIB^V, где А=Al, Ga, In; В=N, Р, As, Sb, напр. GaAs, AlAs, InAs, InSb, GaN, GaP и др.

– со­еди­не­ния A^IIB^VI, где А=Zn, Cd, Hg; B=S, Se, Te, напр. ZnTe, ZnSe, ZnO, ZnS, CdTe, CdS, HgTe и др.;

– со­еди­не­ния эле­мен­тов I и V групп с эле­мен­та­ми VI груп­пы, напр. PbS, PbSe, PbTe, Bi₂Se₃, Bi₂Te₃,Cu₂O и др.;

– трой­ные и чет­вер­ные твёр­дые рас­т­во­ры на ос­но­ве со­еди­не­ний A III B V и A II B VI , напр. Ga_xAl_1–xAs, Ga_xAl_1–xN, Cd_xHg_1–xTe, Cd_xMn_1–xTe, Ga_xIn_1–xAs_yP_1–y и др.

При­ме­ры аморф­ных и стек­ло­об­раз­ных П.: аморф­ный гид­ри­ро­ван­ный крем­ний a-Si:H, аморф­ные Ge, Se, Te, мно­го­ком­по­нент­ные стек­ло­об­раз­ные спла­вы халь­ко­ге­ни­дов на ос­но­ве S, Se, Te.

К ор­га­ни­че­ским П. от­но­сят­ся: ряд ор­га­нич. кра­си­те­лей, аро­ма­тич. со­еди­не­ния (наф­та­лин, ан­тра­цен и др.), по­ли­ме­ры с со­пря­жён­ны­ми свя­зя­ми, не­ко­то­рые при­род­ные пиг­мен­ты. Ор­га­нич. П. су­ще­ст­ву­ют в ви­де мо­но­кри­стал­лов, по­ли­кри­стал­лич. или аморф­ных по­рош­ков и плё­нок. Дос­то­ин­ст­во ор­га­нич. П. – от­но­сит. де­ше­виз­на их про­из-ва и ме­ха­нич. гиб­кость. Они при­ме­ня­ют­ся как све­то­чув­ст­вит. ма­те­риа­лы для фо­то­эле­мен­тов и ПЗС-мат­риц; на их ос­нове соз­да­ны све­то­из­лу­чаю­щие дио­ды, в т. ч. для гиб­ких эк­ра­нов и мо­ни­то­ров.

Боль­шин­ст­во изу­чен­ных П. на­хо­дят­ся в кри­стал­лич. со­стоя­нии. Свой­ст­ва та­ких П. в зна­чит. ме­ре оп­ре­де­ля­ют­ся их хи­мич. со­ста­вом и сим­мет­ри­ей кри­с­тал­лич. ре­шёт­ки. Ато­мы крем­ния, об­ла­дая че­тырь­мя ва­лент­ны­ми элек­тро­на­ми, об­ра­зу­ют ку­бич. кри­стал­лич. ре­шёт­ку ти­па ал­ма­за с ко­ва­лент­ной свя­зью ато­мов (кри­стал­ло­гра­фич. класс $m\bar 3m$, или $O_h$). Та­кую же кри­стал­лич. ре­шёт­ку име­ют гер­ма­ний и се­рое оло­во. В GaAs ка­ж­дый атом об­ра­зу­ет 4 ва­лент­ные свя­зи с бли­жай­ши­ми со­се­дя­ми, в ре­зуль­та­те че­го по­лу­ча­ет­ся кри­стал­лич. ре­шёт­ка, по­доб­ная ре­шёт­ке ал­ма­за, в ко­то­рой бли­жай­ши­ми со­се­дя­ми ка­тио­на Ga яв­ля­ют­ся анио­ны As и на­обо­рот. За счёт час­тич­но­го пе­ре­рас­пре­де­ле­ния элек­тро­нов ато­мы Ga и As ока­зы­ва­ют­ся раз­но­имён­но за­ря­жен­ны­ми и свя­зи ме­ж­ду ато­ма­ми ста­но­вят­ся час­тич­но ион­ны­ми. Кри­стал­лич. ре­шёт­ка GaAs не об­ла­да­ет цен­тром ин­вер­сии, по­это­му в та­ких П. воз­ни­ка­ют эф­фек­ты, от­сут­ст­вую­щие в цен­тро­сим­мет­рич­ных по­лу­про­вод­ни­ко­вых струк­ту­рах, напр. пье­зо­элек­три­че­ст­во (см. Пье­зо­элек­три­ки), ге­не­ра­ция 2-й оп­тич. гар­мо­ни­ки, фо­то­галь­ва­ни­че­ские эф­фек­ты. Струк­ту­рой, по­доб­ной ар­се­ни­ду гал­лия, об­ла­да­ют InAs, InP, ZnTe, ZnSe и др.

Чис­тые и струк­тур­но со­вер­шен­ные П. по­лу­ча­ют в ре­зуль­та­те кри­стал­ли­за­ции из рас­пла­ва или рас­тво­ра. Для соз­да­ния тон­ких по­лу­про­вод­ни­ко­вых плё­нок при­ме­ня­ют ме­тод эпи­так­сии из жид­кой или га­зо­вой фа­зы.

Электроны и дырки в полупроводниках

В твёр­дом те­ле вол­но­вые функ­ции ва­лент­ных элек­тро­нов со­сед­них ато­мов пе­ре­кры­ва­ют­ся, их ва­лент­ные элек­тро­ны обоб­ще­ст­в­ля­ют­ся и воз­ни­ка­ет ус­той­чи­вая хи­мич. (ко­ва­лент­ная) связь. На ка­ж­дую связь ме­ж­ду ато­ма­ми при­хо­дит­ся по два элек­тро­на, и рас­пре­де­ле­ние элек­трон­ной плот­но­сти в про­стран­ст­ве ока­зы­ва­ет­ся жё­ст­ко фик­си­ро­ван­ным. Про­во­ди­мость П. по­яв­ля­ет­ся, ес­ли ра­зо­рвать свя­зи ме­ж­ду не­ко­то­ры­ми ато­ма­ми, напр., те­п­ло­вым или оп­тич. воз­дей­ст­ви­ем, пе­ре­дав не­боль­шой час­ти ва­лент­ных элек­тро­нов до­пол­нит. энер­гию и пе­ре­ве­дя их на ва­кант­ные (пус­тые) элек­трон­ные ор­би­та­ли, рас­по­ло­жен­ные вы­ше по энер­гии. Та­кие элек­т­ро­ны мо­гут сво­бод­но пе­ре­дви­гать­ся по кри­стал­лу, пе­ре­хо­дя с од­но­го ато­ма на дру­гой, и пе­ре­но­сить от­ри­цат. элек­трич. за­ряд. Ра­зо­рван­ная связь с не­дос­тат­ком элек­тро­на (дыр­ка) так­же мо­жет пе­ре­ме­щать­ся по кри­стал­лу за счёт пе­ре­хо­да на неё элек­тро­на из со­сед­ней свя­зи. По­сколь­ку ра­зо­рван­ная связь оз­на­ча­ет на­ли­чие ло­каль­но­го по­ло­жи­тель­но­го элек­трич. за­ря­да, дыр­ки пе­ре­но­сят по­ло­жи­тель­ный за­ряд. Дыр­ки, как и элек­тро­ны, мо­гут пе­ре­ме­щать­ся на зна­чит. рас­стоя­ния в пе­рио­дич. по­тен­циа­ле кри­стал­ла без рас­сея­ния.

В иде­аль­ных кри­стал­лах, не со­дер­жа­щих де­фек­тов и при­ме­сей, элек­тро­ны и дыр­ки все­гда по­яв­ля­ют­ся па́­ра­ми в си­лу со­хра­не­ния элек­трич. за­ря­да, од­на­ко под­виж­но­сти элек­тро­нов и ды­рок, как пра­ви­ло, раз­лич­ны. В ле­ги­ро­ван­ных П. кон­цен­тра­ции сво­бод­ных элек­тро­нов и ды­рок мо­гут раз­ли­чать­ся на неск. по­ряд­ков, так что элек­тро­про­вод­ность осу­ще­ст­в­ля­ет­ся прак­ти­че­ски пол­но­стью но­си­те­ля­ми за­ря­да од­но­го ти­па.

Чередование разрешённых и запрещённых энергетических зон в кристаллических полупроводниках. Заполнение разрешённых зон: (а) при абсолютном нуле температуры; (б) при отличной от нуля температуре. Чёрны…

По­сле­до­ва­тель­ное и стро­гое опи­са­ние со­стоя­ний но­си­те­лей за­ря­да и их дви­же­ния в кри­стал­лах мож­но сде­лать в рам­ках зон­ной тео­рии. Осн. со­стоя­ние крис­тал­ла при темп-ре 0 К фор­ми­ру­ет­ся за счёт по­сле­до­ва­тель­но­го за­пол­не­ния элек­тро­на­ми наи­низ­ших энер­ге­тич. со­стоя­ний. Со­глас­но прин­ци­пу Пау­ли, в ка­ж­дом со­стоя­нии с оп­ре­де­лён­ным зна­че­ни­ем спи­на мо­жет на­хо­дить­ся толь­ко один элек­трон. В за­ви­си­мо­сти от кри­стал­лич. струк­ту­ры и от чис­ла элек­тро­нов в ка­ж­дом из ато­мов, со­став­ляю­щих кри­сталл, воз­мож­ны два слу­чая: 1) элек­тро­ны пол­но­стью за­пол­ня­ют неск. ниж­них раз­ре­шён­ных зон, а все верх­ние зо­ны ос­та­ют­ся пус­ты­ми; 2) од­на из раз­ре­шён­ных зон за­пол­не­на час­тич­но. В пер­вом слу­чае рас­пре­де­ле­ние элек­трон­ной плот­но­сти в кри­стал­ле фик­си­ро­ва­но, элек­тро­ны не мо­гут уча­ст­во­вать в про­во­ди­мо­сти и кри­сталл яв­ля­ет­ся П. или ди­элек­три­ком. Во вто­ром слу­чае часть элек­тро­нов в пре­де­лах час­тич­но за­пол­нен­ной зо­ны мо­жет сво­бод­но пе­ре­ме­щать­ся по кри­стал­лу3 и крис­талл яв­ля­ет­ся ме­тал­лом. В П. и ди­элек­три­ках верх­няя пол­но­стью за­пол­нен­ная раз­ре­шён­ная зо­на энер­гий на­зы­ва­ет­ся ва­лент­ной зо­ной, ниж­няя пус­тая зо­на – зо­ной про­во­ди­мо­сти. Энер­ге­тич. ин­тер­вал ме­ж­ду дном (ми­ни­му­мом энер­гии) зо­ны про­во­ди­мо­сти и по­тол­ком (мак­си­му­мом энер­гии) ва­лент­ной зо­ны на­зы­ва­ет­ся ши­ри­ной за­пре­щён­ной зо­ны $ℰ_g$. Раз­ли­чие ме­ж­ду П. и ди­элек­три­ка­ми чис­то ко­ли­че­ст­вен­ное: ус­лов­но счи­та­ют, что ве­ще­ст­ва с $ℰ_g<2$ эВ яв­ля­ют­ся П., а с $ℰ_g>2$ эВ – ди­элек­три­ка­ми. При от­лич­ной от ну­ля темп-ре те­п­ло­вое дви­же­ние пе­ре­рас­пре­де­ля­ет элек­тро­ны по энер­гии: часть элек­тро­нов «за­бра­сы­ва­ет­ся» из ва­лент­ной зо­ны в зо­ну про­во­ди­мо­сти. При этом по­яв­ля­ют­ся сво­бод­ные но­си­те­ли за­ря­да – элек­тро­ны в зо­не про­во­ди­мо­сти и дыр­ки в ва­лент­ной зо­не (рис.). Ко­ли­че­ст­во сво­бод­ных элек­тро­нов и ды­рок экс­по­нен­ци­аль­но за­ви­сит от темп-ры, по­это­му тем­пе­ра­тур­ная за­ви­си­мость про­во­ди­мо­сти П. оп­ре­де­ля­ет­ся фор­му­лой ( * ).

В ши­ро­ком клас­се П. ши­ри­на энер­ге­тич. зон зна­чи­тель­но пре­вы­ша­ет те­п­ло­вую энер­гию при ком­нат­ной темп-ре (0,025 эВ), по­это­му но­си­те­ли за­ря­да за­пол­ня­ют со­стоя­ния толь­ко вбли­зи экс­тре­му­мов раз­ре­шён­ных зон, т. е. вбли­зи дна зо­ны про­во­ди­мо­сти и по­тол­ка ва­лент­ной зо­ны. За­ви­си­мость энер­гии от ква­зи­им­пуль­са вбли­зи экс­тре­му­ма час­то ока­зы­ва­ет­ся квад­ра­тич­ной, и мож­но вве­сти пред­став­ле­ние об эф­фек­тив­ной мас­се но­си­те­лей за­ря­да, ко­то­рая за­ви­сит от но­ме­ра раз­ре­шён­ной зо­ны и на­прав­ле­ния ква­зи­им­пуль­са. В не­ко­то­рых П. од­но­му зна­че­нию энер­гии от­ве­ча­ет неск. экс­тре­му­мов в пер­вой зо­не Брил­лю­эна и но­си­те­ли за­ря­да рас­пре­де­ле­ны по эк­ви­ва­лент­ным «до­ли­нам» (ок­ре­ст­но­стям экс­тре­му­мов). Та­кие П. на­зы­ва­ют мно­го­до­лин­ны­ми.

Примеси и дефекты в полупроводниках

Элек­трич. про­во­ди­мость П. мо­жет быть обу­слов­ле­на как элек­тро­на­ми соб­ственных ато­мов дан­но­го ве­ще­ст­ва (соб­ст­вен­ная про­во­ди­мость), так и элек­т­рона­ми и дыр­ка­ми при­мес­ных ато­мов (при­мес­ная про­во­ди­мость). Про­цесс вне­дре­ния при­ме­сей в П. для по­лу­че­ния не­об­хо­ди­мых фи­зич. свойств на­зы­ва­ет­ся ле­ги­ро­ва­ни­ем по­лу­про­вод­ни­ков. По­сколь­ку энер­гия свя­зи но­си­те­лей за­ря­да в при­мес­ных ато­мах со­став­ля­ет от не­сколь­ких мэВ до не­сколь­ких де­сят­ков мэВ, имен­но при­мес­ная про­во­ди­мость объ­яс­ня­ет экс­по­нен­ци­аль­ный рост кон­цен­тра­ции сво­бод­ных но­си­те­лей за­ря­да в боль­шин­ст­ве П. в ин­тер­ва­ле тем­пе­ра­тур вбли­зи ком­нат­ной.

При­ме­си в П. обыч­но вво­дят в про­цес­се рос­та струк­ту­ры, они мо­гут быть до­но­ра­ми или ак­цеп­то­ра­ми, т. е. по­став­щи­ка­ми элек­тро­нов или ды­рок. Ес­ли, напр., в гер­ма­ний Ge или крем­ний Si (эле­мен­ты IV груп­пы) вве­сти при­мес­ные ато­мы эле­мен­тов V груп­пы (As, P), то 4 внеш­них элек­тро­на этих ато­мов об­ра­зу­ют ус­той­чи­вую связь с че­тырь­мя со­сед­ни­ми ато­ма­ми ре­шёт­ки, а пя­тый элек­трон ока­жет­ся не­свя­зан­ным и бу­дет удер­жи­вать­ся око­ло при­мес­но­го ато­ма толь­ко за счёт ку­ло­нов­ско­го взаи­мо­дей­ст­вия, ос­лаб­лен­но­го ди­элек­трич. по­ля­ри­за­ци­ей сре­ды. Та­кой при­мес­ный атом яв­ля­ет­ся до­но­ром и лег­ко ио­ни­зу­ет­ся при ком­нат­ной темп-ре. Ак­цеп­тор воз­ни­ка­ет, напр., при вве­де­нии в Ge или Si эле­мен­тов III груп­пы (Ga, Al). В этом слу­чае для об­ра­зо­ва­ния всех че­ты­рёх свя­зей с бли­жай­ши­ми ато­ма­ми тре­бу­ет­ся до­пол­нит. элек­трон, ко­то­рый бе­рёт­ся из внутр. обо­ло­чек ато­мов, так что при­мес­ный атом ока­зы­ва­ет­ся за­ря­жен от­ри­ца­тель­но. Элек­тро­ней­траль­ность вос­ста­нав­ли­ва­ет­ся за счёт то­го, что внутр. не­за­пол­нен­ная ор­би­таль рас­пре­де­ля­ет­ся вбли­зи со­сед­них ато­мов ре­шёт­ки, рас­по­ло­жен­ных от при­мес­но­го на рас­стоя­ни­ях, пре­вос­хо­дя­щих меж­атом­ное рас­стоя­ние. На­ли­чие до­но­ров или ак­цеп­то­ров при­во­дит со­от­вет­ст­вен­но к про­во­ди­мо­сти n- или р-ти­па.

П., в ко­то­рых мо­гут од­но­вре­мен­но су­ще­ст­во­вать ак­цеп­тор­ные и до­нор­ные при­ме­си, на­зы­ва­ют­ся ком­пен­си­ро­ван­ны­ми. Ком­пен­са­ция при­ме­сей при­во­дит к то­му, что часть элек­тро­нов от до­но­ров пе­ре­хо­дит к ак­цеп­то­рам, и в ре­зуль­та­те воз­ни­ка­ет зна­чит. кон­цен­тра­ция ио­нов, ко­то­рые эф­фек­тив­но влия­ют на про­во­ди­мость по­лу­про­вод­ни­ков.

Ам­пли­ту­да вол­но­вой функ­ции элек­тро­нов или ды­рок, ло­ка­ли­зо­ван­ных на при­мес­ных ато­мах, со­став­ля­ет 1–10 нм. Это оз­на­ча­ет, что при кон­цен­тра­ции при­мес­ных ато­мов ок. 10¹⁸ см^–3 вол­но­вые функ­ции элек­тро­нов и ды­рок со­сед­них ато­мов на­чи­на­ют пе­ре­кры­вать­ся, но­си­те­ли за­ря­да мо­гут пе­ре­хо­дить от ио­на к ио­ну и П. ста­но­вит­ся вы­ро­ж­ден­ным (см. Вы­ро­ж­ден­ные по­лу­про­вод­ни­ки). Та­кие П. на­зы­ва­ют­ся силь­но­ле­ги­ро­ва­ны­ми. Из-за силь­но­го эк­ра­ни­ро­ва­ния ку­ло­нов­ско­го при­тя­же­ния но­си­те­ли за­ря­да в них ока­зы­ва­ют­ся сво­бод­ны­ми да­же при та­ких низ­ких темп-рах, при ко­то­рых бы­ла не­воз­мож­на тер­мич. ак­ти­ва­ция элек­тро­на или дыр­ки из изо­ли­ро­ван­но­го ато­ма.

В от­сут­ст­вие внеш­не­го элек­трич. по­ля или ос­ве­ще­ния кон­цен­тра­ция сво­бод­ных но­си­те­лей за­ря­да на­зы­ва­ет­ся рав­но­вес­ной и оп­ре­де­ля­ет­ся ши­ри­ной за­пре­щён­ной зо­ны П., эф­фек­тив­ны­ми мас­са­ми но­си­те­лей за­ря­да, кон­цен­тра­ци­ей при­ме­сей и энер­ги­ей свя­зи при­мес­ных но­си­те­лей за­ря­да.

На­ря­ду с при­ме­ся­ми, ис­точ­ни­ка­ми но­си­те­лей за­ря­да мо­гут быть и разл. де­фек­ты струк­ту­ры, напр. ва­кан­сии (от­сут­ствие од­но­го из ато­мов ре­шёт­ки), ме­ж­узель­ные ато­мы, а так­же не­дос­та­ток или из­бы­ток ато­мов од­но­го из ком­по­нен­тов в по­лу­про­вод­ни­ко­вых со­еди­не­ни­ях (от­кло­не­ния от сте­хио­мет­рич. со­ста­ва).

Электрические свойства полупроводников

Во внеш­нем элек­трич. по­ле на но­си­те­ли за­ря­да в твёр­дом те­ле дей­ст­ву­ет си­ла, ко­то­рая из­ме­ня­ет их ско­рость и при­во­дит к на­прав­лен­но­му дви­же­нию. Под дей­ст­ви­ем си­лы но­си­те­ли за­ря­да долж­ны ус­ко­рять­ся, од­на­ко в кри­стал­лах вслед­ст­вие взаи­мо­дей­ст­вия элек­тронов с де­фек­та­ми, ко­ле­ба­ния­ми ре­шёт­ки и т. д. воз­ни­ка­ет си­ла тре­ния, ко­то­рая урав­но­ве­ши­ва­ет си­лу, дей­ст­вую­щую со сто­ро­ны по­ля. В ре­зуль­та­те но­си­те­ли за­ря­да дви­жут­ся с по­сто­ян­ной сред­ней (дрей­фо­вой) ско­ро­стью $v_{др}$, за­ви­ся­щей от на­пря­жён­но­сти $E$ элек­трич. по­ля. Мож­но вве­сти по­ня­тие под­виж­но­сти но­си­те­лей за­ря­да $μ=v_{др}/E$. Дей­ст­вие си­лы тре­ния оз­на­ча­ет, что в элек­трич. по­ле но­си­тель за­ря­да ис­пы­ты­ва­ет сво­бод­ное ус­ко­ре­ние толь­ко в про­ме­жут­ке вре­ме­ни $Δt$ ме­ж­ду дву­мя ак­та­ми рас­сея­ния, так что $v_{др}=eEτ/m$ ($m$ – эф­фек­тив­ная мас­са но­си­те­ля, $e$ – его за­ряд, $τ$ – вре­мя ре­лак­са­ции, за ко­то­рое сво­бод­ный но­си­тель за­ря­да в от­сут­ст­вие по­ля те­ря­ет свой на­прав­лен­ный ква­зи­им­пульс). Обыч­но $τ$ не за­ви­сит от ве­ли­чи­ны внеш­не­го по­ля и оп­ре­де­ля­ет­ся теп­ло­вым хао­тич. дви­же­ни­ем но­си­те­лей за­ря­да в твёр­дом те­ле, так что ско­рость те­п­ло­во­го дви­же­ния на неск. по­ряд­ков пре­вос­хо­дит $v_{др}$. Так, напр., для ти­пич­ных П. при $T=300$ К в весь­ма силь­ном элек­трич. по­ле ($E$=3·10⁴ В/м) ско­рость $v_{др}$ со­став­ля­ет 10–100 м/с, а ве­ли­чи­на ср. те­п­ло­вой ско­ро­сти – 10⁵–10⁶ м/с.

Ве­ли­чи­ны $τ$ и $μ$ за­ви­сят от ти­па про­во­ди­мо­сти, хи­мич. со­ста­ва П., темп-ры, кон­цен­тра­ции де­фек­тов и при­ме­сей. При темп-рах ни­же темп-ры ки­пе­ния жид­ко­го азо­та (77 К) под­виж­ность $μ$ воз­рас­та­ет с рос­том темп-ры, а при темп-рах вы­ше 77 К – умень­ша­ет­ся, про­хо­дя че­рез мак­си­мум вбли­зи 100 К. Та­кая за­ви­си­мость $μ(T)$ объ­яс­ня­ет­ся на­ли­чи­ем двух осн. при­чин рас­сея­ния но­си­те­лей за­ря­да – на за­ря­жен­ных при­ме­сях и фо­но­нах. При низ­ких темп-рах, ко­гда при­мес­ные ато­мы ио­ни­зо­ва­ны, рас­сея­ние на них пре­вос­хо­дит рас­сея­ние на фо­но­нах, по­сколь­ку рав­но­вес­ных фо­но­нов ма­ло. С уве­ли­че­ни­ем темп-ры ср. энер­гия но­си­те­лей воз­рас­та­ет, эф­фек­тив­ность рас­сея­ния умень­ша­ет­ся, вре­мя ме­ж­ду столк­но­ве­ния­ми и под­виж­ность воз­рас­та­ют. При темп-рах ок. 100 К рез­ко воз­рас­та­ет кон­цен­тра­ция рав­но­вес­ных фо­но­нов и взаи­мо­дей­ст­вие с ни­ми ог­ра­ни­чи­ва­ет под­виж­ность, вслед­ст­вие это­го с уве­ли­че­ни­ем темп-ры под­виж­ность умень­ша­ет­ся. При $T$=300 К ха­рак­тер­ные зна­че­ния $τ$ для П. ле­жат в ин­тер­ва­ле 10^–13–10^–12 с, а $μ$  – в ин­тер­ва­ле 10²–10^–2 м/с. При мень­ших зна­че­ни­ях под­виж­но­сти дли­на сво­бод­но­го про­бе­га (про­из­ве­де­ние ср. ско­ро­сти теп­ло­во­го дви­же­ния на вре­мя $τ$) ста­но­вит­ся мень­ше рас­стоя­ния ме­ж­ду ато­ма­ми и го­во­рить о сво­бод­ном дви­же­нии но­си­те­лей за­ря­да нель­зя. Воз­ни­ка­ет прыж­ко­вая про­во­ди­мость, ко­то­рая обу­слов­ле­на пе­ре­ско­ка­ми но­си­те­лей за­ря­да в про­стран­ст­ве от од­но­го ио­на к дру­го­му (реа­ли­зу­ет­ся в ор­га­ни­че­ских по­лу­про­вод­ни­ках).

На­прав­лен­но­му дви­же­нию но­си­те­лей за­ря­да во внеш­нем элек­трич. по­ле пре­пят­ст­ву­ет их те­п­ло­вое хао­тич. дви­же­ние. Ес­ли в ре­зуль­та­те при­ло­же­ния элек­т­рич. по­ля но­си­те­ли со­би­ра­ют­ся у гра­ни­цы об­раз­ца и их кон­цен­тра­ция за­ви­сит от ко­ор­ди­нат, то хао­тич. дви­же­ние при­во­дит к вы­рав­ни­ва­нию кон­цен­тра­ции и но­си­те­ли пе­ре­хо­дят из об­лас­ти про­ст­ран­ст­ва с боль­шей кон­цен­тра­ци­ей в об­ласть, где их кон­цен­тра­ция мень­ше. Та­кой про­цесс на­зы­ва­ет­ся диф­фу­зи­ей но­си­те­лей за­ря­да и оп­ре­де­ля­ет­ся ко­эф. диф­фу­зии $D$. В ус­ло­ви­ях рав­но­ве­сия пол­ный по­ток но­си­те­лей за­ря­да от­сут­ст­ву­ет, так что диф­фу­зи­он­ный по­ток пол­но­стью ком­пен­си­ру­ет по­ток час­тиц во внеш­нем по­ле. Это оз­на­ча­ет, что ко­эф. диф­фу­зии свя­зан с под­виж­но­стью. Для не­вы­ро­ж­ден­ных но­си­те­лей $D=kTμ/e$ (со­от­но­ше­ние Эйн­штей­на). Для ти­пич­ных П. при ком­нат­ной темп-ре ве­ли­чи­на $D$ со­став­ля­ет 10^–3–10^–2 м²/с. Для не­рав­но­вес­ных но­си­те­лей за­ря­да, напр. в слу­чае ин­жек­ции в элек­трон­но-ды­роч­ном пе­ре­хо­де (см. p–n-Пе­ре­ход), вво­дит­ся по­ня­тие диф­фу­зи­он­ной дли­ны $L_D$, ко­то­рая оп­ре­де­ля­ет умень­ше­ние чис­ла но­си­те­лей в про­цес­се диф­фу­зии за счёт их реком­би­на­ции: $L_D=\sqrt{D\tau_0}$, где $τ_0$ – вре­мя жиз­ни не­ос­нов­ных но­си­те­лей.

На­ло­же­ние внеш­не­го маг­нит­но­го по­ля из­ме­ня­ет ус­ло­вия про­те­ка­ния элек­трич. то­ка в П. и при­во­дит к галь­ва­но­маг­нит­ным яв­ле­ни­ям, ко­то­рые наи­бо­лее силь­но про­яв­ля­ют­ся в маг­нит­ных по­лу­про­вод­ни­ках и по­лу­маг­нит­ных по­лу­про­вод­ни­ках. В П. для ис­сле­до­ва­ний и прак­тич. при­ме­не­ний наи­бо­лее час­то маг­нит­ное по­ле при­кла­ды­ва­ют пер­пен­ди­ку­ляр­но элек­трич. по­лю, в этом слу­чае име­ют ме­сто Хол­ла эф­фект и Шуб­ни­ко­ва – де Хаа­за эф­фект, клас­сич. маг­ни­то­со­про­тив­ле­ние, сла­бая ло­ка­ли­за­ция но­си­те­лей за­ря­да, а в дву­мер­ных струк­ту­рах – кван­то­вый эф­фект Хол­ла и дроб­ный кван­то­вый эф­фект Хол­ла. В маг­нит­ном по­ле на за­ря­жен­ные час­ти­цы дей­ст­ву­ет си­ла Ло­рен­ца, они на­чи­на­ют вра­щать­ся в плос­ко­сти, пер­пен­ди­ку­ляр­ной на­прав­ле­нию маг­нит­но­го по­ля, с цик­ло­трон­ной час­то­той $ω_с$ и со­хра­ня­ют свою ско­рость вдоль маг­нит­но­го по­ля. В за­ви­си­мо­сти от ве­ли­чи­ны про­из­ве­де­ния $ω_сτ$ раз­ли­ча­ют клас­си­че­ские сла­бые ($ω_сτ≪1$), клас­си­че­ские ($ω_сτ>1$) и кван­тую­щие ($ωсτ≫1$ и $\hbar ω_с≫kT$) маг­нит­ные по­ля, где $\hbar$ – по­сто­ян­ная План­ка.

В маг­нит­ных по­лях, ко­гда $ω_сτ∼1$, дви­же­ние но­си­те­лей за­ря­да мож­но опи­сы­вать клас­сич. урав­не­ния­ми Нью­то­на, в этом слу­чае име­ет ме­сто эф­фект Хол­ла, со­стоя­щий в воз­ник­но­ве­нии до­пол­нит. элек­трич. по­ля, пер­пен­ди­ку­ляр­но­го внеш­ним элек­трич. и маг­нит­но­му по­лям. Это до­пол­нит. по­ле ком­пен­си­ру­ет по­ток час­тиц, вы­зван­ный со­вме­ст­ным дей­ст­ви­ем при­ло­жен­ных элек­трич. и маг­нит­но­го по­лей, и за­ви­сит от ве­ли­чи­ны маг­нит­но­го по­ля и кон­цен­тра­ции сво­бод­ных но­си­те­лей за­ря­да, а его на­прав­ле­ние оп­ре­де­ля­ет­ся зна­ком за­ря­да, по­это­му эф­фект Хол­ла ис­поль­зу­ет­ся для оп­ре­де­ле­ния зна­ка и кон­цен­тра­ции но­си­те­лей за­ря­да.

В бо­лее силь­ных по­лях, ко­гда $ω_сτ≫1$, но ха­рак­тер­ная энер­гия но­си­те­лей за­ря­да зна­чи­тель­но пре­вос­хо­дит $\hbar ω_с$, не­об­хо­ди­мо учи­ты­вать кван­то­ва­ние но­си­те­лей за­ря­да во внеш­нем маг­нит­ном по­ле, в ре­зуль­та­те плот­ность со­стоя­ний как функ­ция об­рат­но­го по­ля при­об­ре­та­ет вид ост­рых, пе­рио­ди­че­ски рас­по­ло­жен­ных пи­ков. При уве­ли­че­нии маг­нит­но­го по­ля эти пи­ки на­чи­на­ют пе­ре­се­кать уро­вень хи­мич. по­тен­циа­ла элек­трон­но­го га­за, в ре­зуль­та­те в кван­тую­щем маг­нит­ном по­ле со­про­тив­ле­ние ос­цил­ли­ру­ет.

В дву­мер­ных по­лу­про­вод­ни­ко­вых струк­ту­рах при $ω_сτ≫1$ и $\hbar ω_с≫kT$ воз­ни­ка­ет кван­то­вый эф­фект Хол­ла, со­стоя­щий в по­яв­ле­нии сту­пе­нек на за­ви­си­мо­сти по­пе­реч­но­го со­про­тив­ле­ния от маг­нит­но­го по­ля. Вы­со­та сту­пе­нек с боль­шой точ­но­стью рав­ня­ет­ся кван­ту удель­но­го со­про­тив­ле­ния $h/e^2$. Зна­че­ние про­доль­но­го со­про­тив­ле­ния об­ра­ща­ет­ся в нуль в маг­нит­ных по­лях, от­ве­чаю­щих сту­пень­кам на за­ви­си­мо­сти по­пе­реч­но­го со­про­тив­ле­ния от маг­нит­но­го по­ля и пи­кам ме­ж­ду сту­пень­ка­ми. Та­кое по­ве­де­ние объ­яс­ня­ет­ся осо­бен­но­стя­ми дви­же­ния но­си­те­лей за­ря­да в силь­ном маг­нит­ном по­ле в ус­ло­ви­ях дей­ст­вия слу­чай­ных элек­трич. и де­фор­ма­ци­он­ных по­лей, имею­щих разл. про­стран­ст­вен­ный мас­штаб. При ещё боль­шем маг­нит­ном по­ле име­ет ме­сто дроб­ный кван­то­вый эф­фект Хол­ла, про­яв­ляю­щий­ся в до­пол­нит. рас­ще­п­ле­нии сту­пе­нек. Од­на­ко кван­то­вый ха­рак­тер но­си­те­лей за­ря­да мо­жет про­яв­лять­ся и в сла­бых маг­нит­ных по­лях. Ока­за­лось, что при низ­ких темп-рах в П. и ме­тал­лах на­блю­да­ет­ся не­боль­шое (ок. 1–5% от об­ще­го) из­ме­не­ние про­во­ди­мо­сти, про­пор­цио­наль­ное квад­ра­ту маг­нит­но­го по­ля. Этот эф­фект объ­яс­ня­ет­ся яв­ле­ни­ем сла­бой ло­ка­ли­за­ции, со­стоя­щим в уве­ли­че­нии со­про­тив­ле­ния про­во­дя­щих ма­те­риа­лов за счёт уси­ле­ния рас­сея­ния на­зад при диф­фу­зи­он­ном дви­же­нии час­тиц.

Оптические свойства полупроводников

Зон­ная струк­ту­ра кри­стал­лов про­яв­ля­ет­ся в свой­ст­вах про­пус­ка­ния, от­ра­же­ния и по­гло­ще­ния по­лу­про­вод­ни­ка­ми элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния. Наи­бо­лее оче­вид­но су­ще­ст­во­ва­ние за­пре­щён­ной зо­ны сле­ду­ет из то­го, что из­лу­че­ние с энер­ги­ей кван­та, мень­шей ши­ри­ны за­пре­щён­ной зо­ны $ℰ_g$ чис­то­го П., не по­гло­ща­ет­ся. По­гло­ще­ние на­чи­на­ет­ся толь­ко то­гда, ко­гда энер­гия кван­та пре­вы­сит $ℰ_g$. Для П. ти­па GaAs при низ­ких темп-рах дли­на вол­ны, на ко­то­рой ин­тен­сив­ность па­даю­ще­го из­лу­че­ния умень­ша­ет­ся в $e$ раз, при­бли­зи­тель­но рав­на 0,1 мкм. При та­ком по­гло­ще­нии кван­та све­та в П. воз­ни­ка­ют элек­трон и дыр­ка и име­ет ме­сто за­кон со­хра­не­ния ква­зи­им­пуль­са. Обыч­но им­пульс све­та зна­чи­тель­но мень­ше квази­им­пуль­сов но­си­те­лей за­ря­да, и при оп­тич. пе­ре­хо­де элек­тро­на из ва­лент­ной зо­ны в зо­ну про­во­ди­мо­сти ква­зи­им­пульс не из­ме­ня­ет­ся, так что в мо­мент ро­ж­де­ния элек­трон и дыр­ка име­ют про­ти­во­по­лож­ные ква­зи­им­пуль­сы. Та­кие пе­ре­хо­ды на­зы­ва­ют­ся пря­мы­ми; они про­ис­хо­дят в т. н. пря­мо­зон­ных П. (GaAs, InSb, Te, SiC), в ко­то­рых по­то­лок ва­лент­ной зо­ны и дно зо­ны про­во­ди­мо­сти рас­по­ло­же­ны в од­ной точ­ке зо­ны Брил­лю­эна.

Элек­трон­ные пе­ре­хо­ды со зна­чит. из­ме­не­ни­ем ква­зи­им­пуль­са про­ис­хо­дят в т. н. не­пря­мо­зон­ных П. (Ge, Si, AlAs, GaP), у ко­то­рых вер­ши­на ва­лент­ной зо­ны и дно зо­ны про­во­ди­мо­сти раз­не­се­ны в про­стран­ст­ве ква­зи­им­пуль­сов на ве­ли­чи­ну по­ряд­ка $π/d$, где $d$ – меж­атом­ное рас­стоя­ние в кри­стал­лич. ре­шёт­ке. В этом слу­чае для вы­пол­не­ния за­ко­на со­хра­не­ния ква­зи­им­пуль­са не­об­хо­ди­мо уча­стие треть­ей час­ти­цы, в ка­че­ст­ве ко­то­рой мо­жет вы­сту­пать ли­бо при­мес­ный атом, ли­бо фо­нон. Ти­пич­ная дли­на по­гло­ще­ния для не­пря­мых пе­ре­хо­дов со­став­ля­ет 1–10 мкм.

В спек­тре по­гло­ще­ния П. при­сут­ст­ву­ют ши­ро­кие энер­ге­тич. по­ло­сы, что ука­зы­ва­ет на то, что элек­тро­ны в ва­лент­ных зо­нах свя­за­ны сла­бо и лег­ко по­ля­ри­зу­ют­ся под дей­ст­ви­ем элек­трич. по­ля. Это оз­на­ча­ет, что П. ха­рак­те­ри­зу­ют­ся от­но­си­тель­но боль­шой ди­элек­трич. про­ни­цае­мо­стью $ε$, напр. в Ge $ε=16$, в GaAs $ε=11$, в PbTe $ε=30$. Бла­го­да­ря боль­шим зна­че­ни­ям $ε$ ку­ло­нов­ское взаи­мо­дей­ст­вие элек­тро­нов и ды­рок друг с дру­гом или с за­ря­жен­ны­ми при­ме­ся­ми силь­но по­дав­ле­но, ес­ли они на­хо­дят­ся друг от дру­га на рас­стоя­нии, пре­вы­шаю­щем раз­ме­ры эле­мен­тар­ной ячей­ки. Это и по­зво­ля­ет во мно­гих слу­ча­ях рас­смат­ри­вать дви­же­ние ка­ж­до­го но­си­те­ля за­ря­да не­за­ви­си­мо от дру­гих. Ес­ли бы ку­ло­нов­ское взаи­мо­дей­ст­вие не ос­лаб­ля­лось, то при­мес­ные ио­ны мог­ли бы свя­зы­вать но­си­те­ли за­ря­да в ус­той­чи­вые, ло­ка­ли­зован­ные в про­стран­ст­ве об­ра­зо­ва­ния с энер­ги­ей ок. 10 эВ. В этом слу­чае при темп-рах ок. 300 К те­п­ло­вое дви­же­ние прак­ти­че­ски не мог­ло бы ра­зо­рвать эти свя­зи, соз­дать сво­бод­ные но­си­те­ли за­ря­да и при­вес­ти к за­мет­ной элек­тро­про­вод­но­сти. Та­кое свя­зы­ва­ние име­ет ме­сто в П. и ди­элек­три­ках, но из-за ос­лаб­ле­ния ку­ло­нов­ско­го взаи­мо­дей­ст­вия и от­но­си­тель­но ма­лых эф­фек­тив­ных масс элек­тро­нов и ды­рок (ок. 0,1–0,5 от мас­сы сво­бод­но­го элек­тро­на) энер­гия свя­зи та­ких об­ра­зо­ва­ний (эк­си­то­нов) со­став­ля­ет 1–50 мэВ, что мно­го мень­ше энер­гии ио­ни­за­ции ато­мов. Эк­си­то­ны лег­ко иони­зу­ют­ся при темп-рах вы­ше темп-ры жид­ко­го азо­та и, т. о., не пре­пят­ст­ву­ют об­ра­зо­ва­нию сво­бод­ных но­си­те­лей. Тем не ме­нее при низ­ких темп-рах об­ра­зо­ва­ние эк­си­то­нов при­во­дит к по­гло­ще­нию в чис­тых П. элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния с энер­ги­ей кван­та, мень­шей $ℰ_g$ на ве­ли­чи­ну энер­гии свя­зи эк­си­то­на.

Про­зрач­ность П. в уз­кой об­лас­ти час­тот вбли­зи края собств. по­гло­ще­ния из­ме­ня­ет­ся под дей­ст­ви­ем внеш­них (элек­трич., маг­нит­но­го и др.) по­лей. Элек­трич. по­ле, ус­ко­ряя элек­трон, мо­жет в про­цес­се оп­тич. пе­ре­хо­да пе­ре­дать ему не­боль­шую до­пол­нит. энер­гию, в ре­зуль­та­те че­го пря­мые оп­тич. пе­ре­хо­ды из ва­лент­ной зо­ны в зо­ну про­во­ди­мо­сти про­ис­хо­дят под дей­ст­ви­ем кван­тов све­та с энер­ги­ей, мень­шей $ℰ_g$ (Кел­ды­ша – Фран­ца эф­фект).

В од­но­род­ном маг­нит­ном по­ле за­кон со­хра­не­ния ква­зи­им­пуль­са при­во­дит к со­хра­не­нию кру­го­во­го дви­же­ния элек­тро­нов и ды­рок по­сле по­гло­ще­ния из­лу­чения. В ре­зуль­та­те за­ви­си­мость ко­эф. по­гло­ще­ния от час­то­ты па­даю­ще­го из­лу­че­ния при­ни­ма­ет вид уз­ких пи­ков. Кро­ме собств. по­гло­ще­ния (за счёт пря­мых или не­пря­мых пе­ре­хо­дов), в П. име­ет ме­сто по­гло­ще­ние све­та сво­бод­ны­ми но­си­те­ля­ми, свя­зан­ное с их пе­ре­хо­да­ми в пре­де­лах од­ной раз­ре­шён­ной зо­ны. Их вклад в об­щее по­гло­ще­ние мал, по­сколь­ку чис­ло сво­бод­ных но­си­те­лей за­ря­да в П. ма­лó по срав­не­нию с пол­ным чис­лом ва­лент­ных элек­тро­нов, и для их реа­ли­за­ции тре­бу­ет­ся уча­стие треть­ей час­ти­цы – при­ме­си или фо­но­на. Кро­ме то­го, в не­ле­ги­ро­ван­ных П. со зна­чит. до­лей ион­ной свя­зи на­блю­да­ет­ся по­гло­ще­ние да­лё­ко­го ИК-из­лу­че­ния за счёт воз­бу­ж­де­ния ко­ле­ба­ний ре­шёт­ки – фо­но­нов.

Спектр фо­то­лю­ми­нес­цен­ции П. со­сре­до­то­чен в уз­кой об­лас­ти вбли­зи ши­ри­ны за­пре­щён­ной зо­ны. Вклад в фо­то­лю­ми­нес­цен­цию П. мо­гут вно­сить разл. ме­ха­низ­мы из­лу­ча­тель­ной ре­ком­би­на­ции: зо­на – зо­на, зо­на – при­месь, до­нор – ак­цеп­тор, с уча­сти­ем фо­но­на, из­лу­че­ние сво­бод­ных, свя­зан­ных или ло­ка­ли­зо­ван­ных эк­си­то­нов, эк­си­тон-по­ля­ри­тон­ная, би­эк­си­тон­ная ре­ком­би­на­ции. В не­ле­ги­ро­ван­ных струк­ту­рах с кван­то­вы­ми яма­ми низ­ко­тем­пе­ра­тур­ная фо­то­лю­ми­нес­цен­ция об­у­слов­ле­на из­лу­ча­тель­ной ре­ком­би­на­ци­ей эк­си­то­нов, ло­ка­ли­зо­ван­ных на ше­ро­хо­ва­то­стях по­верх­но­сти и флук­туа­ци­ях со­ста­ва.

Оп­тич. свой­ст­ва твёр­дых рас­тво­ров П. мож­но ме­нять в ши­ро­ких пре­де­лах, под­би­рая хи­мич. со­став рас­тво­ра, что об­услов­ли­ва­ет их ши­ро­кое при­ме­не­ние в при­бо­рах оп­то­элек­тро­ни­ки, в пер­вую оче­редь в ка­че­ст­ве ра­бо­чих ма­те­риа­лов ла­зе­ров, све­то- и фо­то­дио­дов, сол­неч­ных эле­мен­тов, де­тек­то­ров из­лу­че­ния.

Полупроводниковые гетеро- и наноструктуры

Совр. фи­зи­ка П. – это, пре­ж­де все­го, фи­зи­ка по­лу­про­вод­ни­ко­вых ге­те­ро­ст­рук­тур и на­но­ст­рук­тур. В по­след­них воз­ни­ка­ет ряд но­вых фи­зич. яв­ле­ний, ко­то­рые не­воз­мож­ны в объ­ём­ных П., напр. кван­то­вые це­ло­чис­лен­ный и дроб­ный эф­фек­ты Хол­ла. В на­но­ст­рук­ту­рах дви­же­ние сво­бод­ных но­си­те­лей за­ря­да ог­ра­ни­че­но в од­ном или не­сколь­ких на­прав­ле­ни­ях, что при­во­дит к раз­мер­ным эф­фек­там, кар­ди­наль­но из­ме­няю­щим энер­ге­тич. спек­тры но­си­те­лей за­ря­да, а так­же фо­но­нов и др. ква­зи­ча­стиц. Важ­ную роль в на­но­ст­рук­ту­рах иг­ра­ют ге­те­ро­гра­ни­цы, по­сколь­ку в сис­те­мах ма­ло­го раз­ме­ра от­но­ше­ние пло­ща­ди по­верх­но­сти к внутр. объ­ё­му струк­ту­ры яв­ля­ет­ся боль­шим. Наи­бо­лее со­вер­шен­ные по­лу­про­вод­ни­ко­вые на­но­ст­рук­ту­ры по­лу­ча­ют ме­то­да­ми мо­ле­ку­ляр­но-пуч­ко­вой эпи­так­сии и га­зо­фаз­ной эпи­так­сии из ме­тал­ло­ор­га­нич. со­еди­не­ний.

В нач. 21 в. сло­жи­лась ус­той­чи­вая тер­ми­но­ло­гия низ­ко­раз­мер­ной фи­зи­ки П. Сис­те­ма­ти­ка на­чи­на­ет­ся с оди­ноч­но­го ге­те­ро­пе­ре­хо­да ме­ж­ду дву­мя ком­по­зи­ци­он­ны­ми ма­те­риа­ла­ми – по­лу­про­вод­ни­ка­ми A и B. Один или оба ма­те­риа­ла мо­гут быть твёр­ды­ми рас­тво­ра­ми (при­ме­ры ге­те­ро­пар A/B: GaAs/Al_1–xGa_xAs, ZnSe/BeTe). По оп­ре­де­ле­нию, в ге­те­ро­пере­хо­дах пер­во­го ти­па за­пре­щён­ная зо­на $ℰ_g$ од­но­го из ком­по­зиц. ма­те­риа­лов ле­жит внут­ри за­пре­щён­ной зо­ны др. ма­те­риа­ла. В этом слу­чае по­тен­ци­аль­ные ямы для элек­тро­нов или ды­рок рас­по­ло­же­ны в од­ном и том же слое. В ге­те­ро­пе­ре­хо­дах вто­ро­го ти­па дно зо­ны про­во­ди­мо­сти ни­же в од­ном, а по­то­лок ва­лент­ной зо­ны вы­ше в дру­гом П. Для ука­зан­ных ге­те­ро­пар за­пре­щён­ные зо­ны пе­ре­кры­ва­ют­ся. Име­ют­ся так­же гете­ро­пе­ре­хо­ды вто­ро­го ти­па (напр., InAs/GaSb), у ко­то­рых за­пре­щён­ные зо­ны не пе­ре­кры­ва­ют­ся и дно зо­ны про­во­ди­мо­сти од­ного П. ле­жит ни­же по­тол­ка ва­лент­ной зо­ны дру­го­го П. К треть­ему ти­пу от­но­сят гете­ро­пе­ре­хо­ды, в ко­то­рых один из сло­ёв яв­ля­ет­ся бес­ще­ле­вым П., напр. в па­ре HgTe/CdTe. Двой­ной ге­те­ро­пе­ре­ход B/A/B пер­во­го ти­па пред­став­ля­ет со­бой струк­ту­ру с оди­ноч­ной кван­то­вой ямой, ес­ли $ℰ^A_g<ℰ^B_g$, или струк­ту­ру с оди­ночным барь­е­ром, ес­ли $ℰ^A_g>ℰ^B_g$.

К по­лу­про­вод­ни­ко­вым на­но­ст­рук­ту­рам от­но­сят кван­то­вые ямы, кван­то­вые про­во­ло­ки, кван­то­вые точ­ки. В кван­то­вой яме дви­же­ние сво­бод­но­го но­си­те­ля за­ря­да (элек­тро­на или дыр­ки) ог­ра­ни­че­но в од­ном из на­прав­ле­ний. В ре­зуль­та­те воз­ни­ка­ет про­стран­ст­вен­ное кван­то­ва­ние и энер­ге­тич. спектр по од­но­му из кван­то­вых чи­сел из не­пре­рыв­но­го ста­но­вит­ся дис­крет­ным – ка­ж­дая трёх­мер­ная энер­ге­тич. элек­трон­ная зо­на пре­вра­ща­ет­ся в се­рию дву­мер­ных под­зон раз­мер­но­го кван­то­ва­ния. Ес­теств. раз­ви­ти­ем од­но­барь­ер­ной струк­ту­ры яв­ля­ют­ся двух- и муль­ти­барь­ер­ные струк­ту­ры, на ос­но­ве ко­то­рых соз­да­ют­ся ре­зо­нанс­но-барь­ер­ные при­бо­ры. От оди­ноч­ной кван­то­вой ямы пе­ре­хо­дят к струк­ту­ре с дву­мя или тре­мя кван­то­вы­ми яма­ми и струк­ту­рам с це­лым на­бо­ром изо­ли­ро­ван­ных кван­то­вых ям. По ме­ре то­го как барь­е­ры ста­но­вят­ся тонь­ше, тун­не­ли­ро­ва­ние но­си­те­лей за­ря­да из од­ной ямы в дру­гую ста­но­вит­ся за­мет­нее, и элек­трон­ные со­стоя­ния в под­зо­нах раз­мер­но­го кван­то­ва­ния изо­ли­ро­ван­ных ям транс­фор­ми­ру­ют­ся в трёх­мер­ные ми­ни­зон­ные со­стоя­ния. В ре­зуль­та­те пе­рио­дич. струк­ту­ра изо­ли­ро­ван­ных кван­то­вых ям, или тол­сто­барь­ер­ная сверх­ре­шёт­ка, пре­вра­ща­ет­ся в тон­ко­барь­ер­ную сверх­ре­шёт­ку, или про­сто сверх­ре­шёт­ку. По­лу­про­вод­ни­ко­вая сверх­ре­шёт­ка ис­поль­зу­ет­ся для со­зда­ния кван­то­вых кас­кад­ных ла­зе­ров, из­лу­че­ние ко­то­рых воз­ни­ка­ет при пе­ре­хо­де элек­тро­нов ме­ж­ду слоя­ми струк­ту­ры.

Кро­ме струк­тур с кван­то­вы­ми яма­ми, су­ще­ст­ву­ют и др. дву­мер­ные сис­те­мы, напр. гра­фен и струк­ту­ра ме­талл – ди­элек­трик – по­лу­про­вод­ник (МДП-струк­ту­ра), ко­то­рая ис­поль­зу­ет­ся в мик­ро­элек­тро­ни­ке в ви­де по­ле­во­го МДП-тран­зи­сто­ра.

В од­но­мер­ных сис­те­мах – кван­то­вых про­во­ло­ках – дви­же­ние но­си­те­лей за­ря­да сво­бод­но толь­ко в од­ном на­прав­ле­нии (напр., в уг­ле­род­ной на­нот­руб­ке, по­лу­чае­мой свёр­ты­ва­ни­ем гра­фе­но­вой по­лос­ки и за­кре­п­ле­ни­ем её про­ти­во­по­лож­ных сто­рон). Др. при­мер та­кой струк­ту­ры – кван­то­вая яма, вы­ра­щен­ная на ско­ле, со­дер­жа­щем пер­пен­ди­ку­ляр­ную ему кван­то­вую яму. Кван­то­вая ме­ха­ни­ка до­пус­ка­ет фор­ми­ро­ва­ние од­но­мер­ных элек­трон­ных со­стоя­ний на сты­ке двух та­ких ям.

В кван­то­вых точ­ках дви­же­ние но­си­те­лей за­ря­да ог­ра­ни­че­но во всех трёх на­прав­ле­ни­ях, напр. в на­нок­ри­стал­лах CdSe, вы­ра­щен­ных в стек­лян­ной мат­ри­це, и в эпи­так­си­аль­ных кван­то­вых точ­ках GaAs/InAs, вы­ра­щен­ных по ме­ха­низ­му Странс­ки – Кра­ста­но­ва.

Ши­ро­кое при­ме­не­ние по­лу­чи­ли по­лу­про­вод­ни­ко­вые ла­зе­ры на кван­то­вых ямах и мас­си­вах кван­то­вых то­чек. В струк­ту­ре с двой­ным ог­ра­ни­че­ни­ем сти­му­ли­ро­ван­ное из­лу­че­ние вы­хо­дит из тор­ца, пер­пен­ди­ку­ляр­но на­прав­ле­нию рос­та. Кван­то­вый мик­ро­ре­зо­на­тор, т. е. кван­то­вые ямы или кван­то­вые точ­ки, вы­ра­щен­ные в ак­тив­ной об­лас­ти оп­тич. мик­ро­ре­зо­на­то­ра, ис­поль­зу­ет­ся для соз­да­ния вер­ти­каль­но из­лу­чаю­щих ла­зе­ров.

Воз­мож­ность в ши­ро­ких пре­де­лах управ­лять фи­зич. свой­ст­ва­ми П. при­во­дит к их мно­го­чис­лен­ным и раз­но­об­раз­ным при­ме­не­ни­ям (см. По­лу­про­вод­ни­ко­вые ма­те­риа­лы).

bigenc.ru

Электрические свойства полупроводников

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

Полупроводник —

— вещество, у которого удельное сопротивление может изменяться в широких пределах и очень быстро убывает с повышением температуры., а это значит, что электрическая проводимость (1/R ) увеличивается.
— наблюдается у кремния, германия, селена и у некоторых соединений.

Механизм проводимостиу полупроводников

Кристаллы полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку, где внешние электроны связаны с соседними атомами ковалентными связями.
При низких температурах у чистых полупроводников свободных электронов нет и он ведет себя как диэлектрик.

 

Полупроводники чистые (без примесей)

Если полупроводник чистый( без примесей), то он обладает собственной проводимостью? которая невелика.

Собственная проводимость бывает двух видов:

1) электронная ( проводимость «n » — типа)

При низких температурах в полупроводниках все электроны связаны с ядрами и сопротивление большое; при увеличении температуры кинетическая энергия частиц увеличивается, рушатся связи и возникают свободные электроны — сопротивление уменьшается.
Свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряженности эл.поля.
Электронная проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов.

2) дырочная ( проводимость » p» — типа )

При увеличении температуры разрушаются ковалентные связи, осуществляемые валентными электронами, между атомами и образуются места с недостающим электроном — «дырка».
Она может перемещаться по всему кристаллу, т.к. ее место может замещаться валентными электронами. Перемещение «дырки» равноценно перемещению положительного заряда.
Перемещение дырки происходит в направлении вектора напряженности электрического поля.

Кроме нагревания , разрыв ковалентных связей и возникновение собственной проводимости полупроводников могут быть вызваны освещением ( фотопроводимость ) и действием сильных электрических полей

Общая проводимость чистого полупроводника складывается из проводимостей «p» и «n» -типов
и называется электронно-дырочной проводимостью.

Полупроводники при наличии примесей

— у них существует собственная + примесная проводимость
Наличие примесей сильно увеличивает проводимость.
При изменении концентрации примесей изменяется число носителей эл.тока — электронов и дырок.
Возможность управления током лежит в основе широкого применения полупроводников.

Существуют:

1)донорныепримеси ( отдающие )

— являются дополнительными поставщиками электронов в кристаллы полупроводника, легко отдают электроны и увеличивают число свободных электронов в полупроводнике.
Это проводники » n » — типа, т.е. полупроводники с донорными примесями, где основной носитель заряда — электроны, а неосновной — дырки.
Такой полупроводник обладает электронной примесной проводимостью.

Например — мышьяк.

2)акцепторныепримеси ( принимающие )

— создают «дырки» , забирая в себя электроны.
Это полупроводники » p «- типа, т.е. полупроводники с акцепторными примесями, где основной носитель заряда — дырки, а неосновной — электроны.
Такой полупроводник обладает дырочной примесной проводимостью.

Например — индий.

Электрические свойства «p-n» перехода

«p-n» переход (или электронно-дырочный переход) — область контакта двух полупроводников, где происходит смена проводимости с электронной на дырочную (или наоборот).

В кристалле полупроводника введением примесей можно создать такие области. В зоне контакта двух полупроводников с различными проводимостями будет проходить взаимная диффузия. электронов и дырок и образуется запирающий электрический слой.Электрическое поле запирающего слоя препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с другими областями полупроводника.

Внешнее электрическое поле влияет на сопротивление запирающего слоя.
При прямом (пропускном) направлении внешнего эл.поля эл.ток проходит через границу двух полупроводников.
Т.к. электроны и дырки движутся навстречу друг другу к границе раздела, то электроны, переходя границу, заполняют дырки. Толщина запирающего слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются.

 

Пропускной режим р-n перехода:

При запирающем (обратном) направлении внешнего электрического поля электрический ток через область контакта двух полупроводников проходить не будет.
Т.к. электроны и дырки перемещаются от границы в противоположные стороны, то запирающий слой утолщается, его сопротивление увеличивается.

Запирающий режим р-n перехода:

Таким образом, электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью.

Полупроводниковые диоды

Полупроводник с одним «p-n» переходом называется полупроводниковым диодом.

При наложении эл.поля в одном направлении сопротивление полупроводника велико,
в обратном — сопротивление мало.

Полупроводниковые диоды основные элементы выпрямителей переменного тока.

Полупроводниковые транзисторы

— также используются свойства» р-n «переходов,

— транзисторы используются в схемотехнике радиоэлектронных приборов

 

Тема №6 .

 

Полупроводниковые соединения типа A^III B^V

Кристаллическая структура и химическая связь.Соединения A^UIB^V являются ближайшими электронными аналогами кремния и германия. Они образуются в результате взаимодействия элемен­тов Ш-б подгруппы Периодической системы элементов Д. И. Мен­делеева (бора, алюминия, галлия, индия) с элементами V-б под­группы (азотом, фосфором, мышьяком и сурьмой). Висмут и тал­лий не образуют соединений рассматриваемого ряда. Соединения AⁱⁿB^v принято классифицировать по металлоидному элементу. Различают нитриды, фосфиды, арсениды и антимониды. Полу­проводниковые свойства соединений A^mB^v впервые были пред­сказаны отечественными учеными Н.А. Горюновой и А. Р. Регелем в начале 1950-х гг.

Рассматриваемые соедине­ния относятся к группе алмазоподобных полупроводников. Все они, за исключением нитридов индия, галлия и алюминия, кристал­лизуются в решетке цинковой обманки кубического типа — сфа­лерита, элементарная ячейка которой показана на рис. 10, а. Для нитридов характерна структура гексагонального типа — вюрцита (рис.10, б).

Рис. 10. Кристаллические структуры типа сфалерита (а) и вюрцита (б)

 

В решетке того и другого типов каждый атом элемен­та III группы находится в тетраэдрическом окружении четырех атомов элемента V группы, и наоборот. Обе структуры характери­зуются отсутствием центра симметрии.

Для соединений A^nIB^v характерен особый тип химической свя­зи, называемой донорно-акцепторной. Из четырех ковалентных sр³-связей, которыми каждый атом встраивается в решетку, три образуются обобществлением валентных электронов атомов А¹¹¹ и B^v, а четвертая связь осуществляется неподеленной парой вален­тных электронов атомов B^v. На рис.11 такие электроны изобра­жены крупными точками.

Рис. 11. Схема химических связей в соеди­нениях AⁱⁿB^v на примере фосфида галлия

Образование этой связи соответствует энергетически выгодному переходу элек­тронов от атома B^v в энергетическое со­стояние, общее для донора (атома В^v и акцептора (атома А^ш). В каждой ковалентной связи максимум электронной плот­ности смещен в сторону атома с более высокой электроотрицательностью, т. е. электронные облака стя­нуты к узлам решетки, где находятся атомы B^v. Благодаря такой поляризации связей атомы А¹¹¹ приобретают некоторый эффек­тивный положительный заряд, а атомы B^v — отрицательный. Ве­личина этого эффективного ионного заряда (±q) определяет сте­пень ионности соединения, которая закономерно изменяется при переходе от одного соединения к другому в соответствии с поло­жением химических элементов в Периодической системе элемен­тов Д. И. Менделеева.

Полупроводни­ковые соединения A^IIIB^v образуют гомологический ряд, в кото­ром наблюдается закономерное изменение многих свойств при изменении атомных номеров компонентов.

В большинстве случаев одна из эвтектик вырождена в сторону легкоплавкого металлического компонента. Благодаря этому образуется широкое температурное и концентрационное поле первичной кристаллизации соединения A^!1IB^V, что широко используется для выращивания монокристаллов и эпитаксиальных слоев рассматриваемых материалов из жидкой фазы. Точки плавления полупроводниковых соединений лежат выше соответ­ствующих температур плавления исходных компонентов. Исклю­чение составляет антимонид индия, температура плавления кото­рого 525 «С лежит между температурой плавления сурьмы 630 °С и индия 157 «С.

Экспериментальные данные и теоретические расчеты свиде­тельствуют о возможности достаточно заметных отклонений от стехиометрического состава этих соединений.

Основными видами нестехиометрических дефектов структуры являются вакансии в обе­их подрешетках, а также избыточные атомы в междоузельных по­зициях. В некоторых случаях существенную роль могут играть ан­тиструктурные дефекты, когда собственный атом внедряется в «чужой» узел решетки.

Как правило, точечные дефекты в полупроводниковых крис­таллах обладают электрической активностью и могут влиять на тип электропроводности и концентрацию носителей заряда. На­пример, вакансиии в металлической подрешетке в большинстве случаев ведут себя подобно акцепторным примесям, а антиструк­турный дефект AS в решетке GaAs играет роль двухзарядного донора. Отдельные точечные дефекты могут взаимодействовать между собой и образовывать более сложные комплексы. Протяженность области гомогенности полупроводниковой фазы уменьшается при понижении температуры. Воспроизведение стехи-ометрического состава кристаллов не означает уничтожение точе­чных дефектов структуры, а свидетельствует лишь о равенстве числа металлических и металлоидных атомов в решетке. Для кардинально­го улучшения структурного совершенства кристаллов необходимо понижать температуру синтеза соединений. Этим объясняется широ­кое распространение эпитаксиальных методов кристаллизации.

За исключением антимонидов все соединения AⁱⁿB^v разлага­ются при нагревании, причем разложение происходит по схеме

Равновесное давлениенасыщенного пара, состоящего практи­чески из молекул компонента B^v, растет с повышением темпера­туры и в точке плавления достигает значений 10⁴… 10⁵ Па для арсенидов и 10⁶… 10⁷ Па для фосфидов.

Большинство соединений AⁱⁿB^v имеют прямую структуру энер­гетических зон, т.е. положение главных экстремумов валентной зоны и зоны проводимости в них соответствует точке к = 0. К числу прямозонных полупроводников относятся нитриды элементов III группы Периодической системы элемен­тов Д.И.Менделеева, все соединения с индием, а также арсенид и антимонид галлия. Именно в таких соединениях достигается мак­симальная эффективность рекомбинационного излучения, что ис­пользуется при создании инжекционных лазеров и светоизлучающих диодов.

Внутри каждой группы соединений-аналогов наблюдается мо­нотонное уменьшение ширины запрещенной зоны с ростом сум­марного атомного номера и средней атомной массы. Такую закономерность можно объяснить увеличением межатомных расстояний в решетке и соответствующим ослабле­нием ковалентных химических связей при переходе к более тяже­лым атомам. Уменьшение энергии химических связей сопровождается также понижением температуры плавления, предела меха­нической прочности и твердости материала. Полупроводниковые соединения, образованные тяжелыми элементами, по своим ме­ханическим свойствам приближаются к металлам.

Прямозонные соединения отличаются существенно более вы­сокой подвижностью электронов, что является следствием малой эффективной массы последних. Рекордно высокой подвижностью электронов (7,8 м²/(В • с)) при комнатной температуре обладает антимонид индия.

Основным фактором, ограничивающим подвижность носите­лей заряда в нормальных условиях, является их рассеяние на оп­тических тепловых колебаниях решетки, под которыми следует понимать противофазное смещение соседних атомов. Поскольку атомы А^ш и B^v обладают некоторым ионным зарядом, то их про­тивофазное смещение приводит к появлению дипольного момен­та, являющегося эффективным центром рассеяния электронов и дырок. Чем больше разность электроотрицательностей элементов, образующих соединение, тем сильнее выражена ионная составля­ющая химической связи. Соответственно возрастает рассеяние на оптических колебаниях решетки и уменьшается подвижность но­сителей заряда.

В ряду ковалентных полупроводников подвижность электронов повышается при переходе от алмаза к кремнию и далее к герма­нию, т. е. приближенно можно считать, что подвижность носите­лей заряда увеличивается с ростом атомной массы. Аналогичная зависимость, более отчетливо выраженная для электронов, чем для дырок, имеет место и в соединениях A^II!B^V.

Вследствие большого различия в значениях подвижностей элек­тронов и дырок в InSb, InAs, InPи GaAs их собственное удельное сопротивление практически полностью определяется движением электронов. При фиксированной температуре минимальная удель­ная проводимость этих материалов наблюдается у образцов р-тппа в области смешанной электропроводности.

Поведение примесей в соедине­ниях AⁱⁿB^v в целом подчиняется тем же закономерностям, кото­рые характерны для кремния и германия, а именно: примеси за­мещения с валентностью, большей валентности замещаемых ато­мов решетки, являются донорами, а с меньшей валентностью — акцепторами. Однако в бинарных соединениях существует два типа узлов, поэтому возникает вопрос о характере замещения. Иссле­дования показывают, что встраивание примесей в кристалличе­скую решетку соединений A^IIIB^V происходит таким образом, что­бы при замещении не возникало центров с большим локальным зарядом. В частности, примеси элементов II группы (Be, Mg, Zn и Cd), образующие твердые растворы замещения, — всегда занима­ют узлы металлического компонента и при этом являются акцеп­торами благодаря меньшей валентности по сравнению с валент­ностью вытесняемых атомов (рис. 14).

Рис, 5.26. Схема поведения примесей в полупроводниковых соединениях типа A^nIB^v

 

В то же время примеси элементов VI группы (S, Se, Те) всегда располагаются в узлах B^{vи играют роль доноров.}

Более сложным характером отличается поведение примесей элементов IV группы. Поскольку в этом случае при замещении атомов одной из двух подрешеток имеется избыток или недоста­ток лишь одного валентного электрона, то атомы примесей IV группы могут занимать как узлы А¹¹¹, так и узлы B^v, проявляя при этом донорные или акцепторные свойства соответственно. Заме­щение должно сопровождаться наименьшей деформацией крис­таллической решетки. Поэтому одним из критериев донорного или акцепторного действия примесей может служить соответствие раз­меров замещающего и замещаемого атомов.

В большинстве случаев атомы примесей элементов IV группы локализуются в одной из подрешеток. Так, атомы углерода, отли­чающиеся малыми размерами, практически всегда проявляют ак­цепторные свойства. Среди элементов IV группы углерод характе­ризуется наименьшей растворимостью в соединениях A^II!B^V. На­оборот, атомы олова имеют достаточно большой ковалентный радиус и замещают более свободные металлические узлы в крис­таллической решетке, создавая при этом мелкие донорные уров­ни в запрещенной зоне полупроводника. Кремний и германий за­мещают в антимониде индия только атомы сурьмы, а в арсениде индия — только индий. Однако в некоторых соединениях наблю­дается амфотерное поведение этих примесей. Так, при легирова­нии арсенида и фосфида галлия происходит парное вхождение атомов кремния и германия в кристаллическую решетку соедине­ния с одновременным замещением узлов А¹¹¹ и B^v. В зависимости от степени легирования, температуры роста и состава кристалли­зационной среды имеет место преимущественное вхождение этих примесей в ту или иную подрешетку. При легировании амфотерными примесями полупроводник обычно оказывается компенси­рованным, т.е. концентрация носителей заряда в нем существен­но меньше концентрации вводимых примесей.

Большинство соединений AⁱⁿB^v относительно просты по ме­ханизму легирования. Под этим подразумевается, что тип элект­ропроводности полупроводника и концентрация носителей заря­да в нем достаточно легко управляются изменением содержания легирующих примесей. Как правило, введение избытка одного из компонентов в среду кристаллизации не приводит к радикально­му изменению электрофизических свойств материала. Такую осо­бенность в поведении нестехиометрических дефектов структуры можно объяснить узкой областью гомогенности синтезируемых соединений при типичных температурах эпитаксиального процесса. Исключение из правила составляют нитриды. Например, нитрид галлия при легировании традиционными методами не инвертиру­ется в материал с электропроводностью р-типа, что обусловлено достаточно высокой концентрацией вакансий азота, создающих мелкие донорные уровни. Лишь реализация низкотемпературных режимов эпитаксии, использование активных источников атомар­ного азота, применение дополнительной очистки исходных реа­гентов позволяют при легировании магнием и последующем от­жиге в азоте при температуре около 700 «С получать слои с кон­центрацией дырок порядка 10²⁴ м^-3. В отличие от GaN кристаллы нитрида алюминия даже при введении легирующих примесей про­являют полуизолирующие свойства, так как доноры и акцепторы создают глубокие уровни в запрещенной зоне.

Элементы I группы в некоторых соединениях A^mB^v образуют твердые растворы внедрения. Они имеют один валентный элект­рон и при внедрении в междоузлие легко теряют его, т. е. прояв­ляют свойства доноров. Если же эти атомы размещаются в узлах решетки, то они ведут себя как многозарядовые акцепторы, со­здавая несколько энергетических уровней в запрещенной зоне по­лупроводника.

Примеси переходных металлов (Fe, Ni, Co), а также Сг и Мn создают глубоколежащие энергетические уровни акцепторного типа и являются эффективными рекомбинационными ловушками. Напри­мер, легирование арсенида и фосфида галлия хромом используется для получения кристаллов с полуизолирующими свойствами. Благо­даря компенсации полупроводника глубокими примесями удается получать материал с удельным сопротивлением свыше 10⁷ Ом’ м.

Атомы примесей V группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева замещают узлы в металлоидной подрешетке со­единения, образуя нейтральные центры, изовалентные основным атомам. Если же атомы, участвующие в замещении, существенно Различаются по электроотрицательности и ковалентному радиусу, то в результате легирования образуются дискретные уровни в зап­рещенной зоне, которые способны захватывать носители заряда.

Примеси элементов III группы Периодической системы эле­ментов Д. И. Менделеева входят как изовалентные атомы в металлическую подрешетку A^nIB^v. Экспериментальные данные указы­вают на отсутствие локальных состояний в запрещенной зоне по­лупроводника. При взаимозамещении Al, Ga и In отсутствуют ог­раничения на растворимость металлических компонентов в соот­ветствующей подрешетке.

Имеются многочисленные свидетельства косвенного влияния изовалентных примесей на электрические свойства кристаллов. Механизм этого влияния может быть различным. Например, в результате изовалентного легирования может изменяться фон ос­таточных примесей или же происходить их перераспределение по узлам металлической и металлоидной подрешеток. Кроме того, электрические свойства могут изменяться вследствие образования малоподвижных ассоциатов, включающих в себя наряду с изовалентными центрами собственные точечные дефекты структуры или атомы электрически активных примесей. Так, легирование фос­фида галлия азотом вызывает увеличение его удельного сопротивле­ния на несколько порядков, что является следствием более сильной компенсации полупроводника. В свою очередь, возрастание степени компенсации при изовалентном легировании обусловлено частичным переселением остаточных атомов кремния из узлов галлия в метал­лоидную подрешетку. Такое перераспределение амфотерной приме­си способствует уменьшению упругих искажений структуры, порож­даемых встраиванием в решетку атомов азота. Аналогичным образом ведет себя висмут в кристаллах арсенида галлия.

Мно­гообразие свойств полупроводников типа A^mB^v обусловливает их широкое применение в приборах и устройствах различного техни­ческого назначения. Особый интерес к этой группе материалов был вызван, прежде всего, потребностями оптоэлектроники в быстродействующих источниках и приемниках излучения. Инжекционные лазеры и светоизлучающие диоды на основе полупро­водников A^mB^v характеризуются наиболее высокой эффективно­стью преобразования электрической энергии в электромагнитное излучение. Существенными достоинствами таких приборов явля­ются компактность и конструктивная простота, совместимость с элементами интегральных микросхем по рабочим параметрам и технологическим операциям.

Большой набор значений ширины запрещенной зоны у полу­проводников A^mB^v позволяет создавать на их основе различные виды фотоприемников, перекрывающих широкий диапазон спек­тра. Среди них наибольшее распространение получили фотодиоды и фотоэлементы, принцип действия которых основан на разделении генерируемых светом носителей заряда внутренним полем n-перехода. Фотодиоды работают в режиме обратного включе­ния и отличаются малым временем формирования фотоответа.

По принципу действия к фотодиодам очень близки фото­электрические преобразователи солнечной энергии. Арсенид гал­лия является одним из лучших полупроводниковых материалов для применения в солнечных батареях, особенно в условиях кос­моса. По сравнению с кремнием арсенид галлия GaAs обладает более высокой термической и радиационной стабильностью. Наи­большая эффективность фотоэлектрического преобразования сол­нечного излучения (27 %) получена с помощью гетероструктур AlGaAs/GaAs при аккумулировании концентрированного свето­вого потока. Пропорционально степени концентрации излучения уменьшается стоимость используемых материалов и структур.

Прогресс в технологии арсенида галлия, достигнутый за по­следние 25 лет, открыл богатые возможности применения этого материала при создании полевых транзисторов, больших (до 10⁴ элементов) и сверхбольших (до 10⁶ элементов) интегральных схем. По сравнению с кремнием арсенид галлия является более слож­ным в технологическом плане материалом. На нем трудно выра­стить стабильный собственный оксид. Формируемая оксидная пленка характеризуется низким качеством и высокой плотно­стью поверхностных состояний, что затрудняет создание МДП-транзисторов. Кроме того, для арсенида галлия характерна невы­сокая растворимость донорных примесей, практически исклю­чена возможность их диффузионного введения в кристалл. Раз­ложение GaAs при высоких температурах создает дополнитель­ные трудности при проведении операций отжига. Однако совер­шенствование техники эпитаксии, освоение технологии ионно­го легирования, лазерного отжига, электронно-лучевой литог­рафии, а также разработка новых методов осаждения защитных слоев позволяют реализовать возможности арсенида галлия в повышении быстродействия интегральных схем при одновремен­ном снижении потребляемой ими мощности. Этому способству­ют высокая подвижность электронов и благоприятные теплофизические характеристики.

Среди других материалов, перспективных для применения в интегральной микроэлектронике, необходимо выделить фосфид индия. В сильных электрических полях InP характеризуется более высокой скоростью дрейфа электронов, нежели GaAs. Благодаря этому появляется возможность освоения частотного диапазона работы приборов СВЧ и сверхбыстродействующих ИС вплоть до 100 ГГц.

К важным достоинствам арсенида галлия и фосфида индия при их использовании в качестве материала для субмикронных быст­родействующих приборов следует отнести и относительную про­стоту изготовления на их основе полуизолирующих подложек.

По масштабам применения и номенклатуре создаваемых при­боров арсенид галлия прочно занимает второе место после крем­ния среди всех материалов полупроводниковой электроники. Из других применений GaAs следует отметить высокотемпературные выпрямительные диоды, детекторы ядерных излучений, лавинно-пролетные диоды. Токовая неустойчивость в сильных электри­ческих полях, обусловленная междолинными переходами электронов, используется для создания генераторов СВЧ-колебаний (генераторов Ганна), работающих в диапазоне частот 10⁹… 10¹⁰ Гц. Кроме арсенида галлия подходящими материалами для этих це­лей являются InP, InAs и твердые растворы на их основе.

Арсенид галлия и антимонид индия применяются для изготов­ления туннельных диодов. По сравнению с германиевыми диода­ми приборы из GaAs характеризуются более высокой рабочей тем­пературой, а диоды из InSb отличаются лучшими частотными свой­ствами при низких температурах.

На основе узкозонных полупроводников A^IIIB^V (InAs, InSb), обладающих высокой подвижностью электронов, изготовляют магниторезисторы и датчики Холла. Антимонид индия применя­ют также для создания приемников ИК-излучения, проявляющих фоточувствительность вплоть до 7 мкм. Пластины фосфида индия находят массовое применение в качестве подложек при формировании эпитаксиальных лазерных и светодиодных гетероструктур, излучающих в области максимальной оптической про­зрачности кварцевого волокна.

Твердые растворы на основе соединений A'»B^V

Твердые растворы позволяют существенно расширить по срав­нению с элементарными полупроводниками и полупроводнико­выми соединениями набор электрофизических параметров, опре­деляющих возможности применения материалов в конкретных полупроводниковых приборах.

Особенности внутреннего строения. Среди алмазоподобных по­лупроводников, в том числе соединений типа AⁿⁱB^v, распростра­нены твердые растворы замещения. Необходимыми условиями об­разования твердых растворов являются кристаллохимическое по­добие кристаллических решеток соединений-компонентов и бли­зость размеров взаимозамещаемых атомов. Наиболее хорошо изуче­ны тройные твердые растворы, в которых замещение происходит по узлам лишь одной из подрешеток бинарного соединения (ме­таллической или металлоидной). Состав таких твердых растворов принято характеризовать символами А_xВ_1-xС и АС_yD_1-yгде А и В обозначают элементы III группы, а С и D — элементы V группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева. В формуле А_xВ_1-xС индекс х определяет мольную долю соединения АВ в твер­дом растворе. Если твердые растворы существуют во всем диапа­зоне концентраций, то х может изменяться от 0 до 1.

При термодинамическом описании таких твердых растворов удобно в качестве независимых компонентов рассматривать два бинарных соединения, имеющих общий элемент. Фактически тройной твердый раствор представляет собой квазибинарную систему, в которой взаимозамещаемые атомы статистически неупоря­доченно распределяются по узлам соответствующей подрешетки. Критерий непрерывной растворимости компонентов в этом слу­чае сводится к соответствию периодов решеток соединений-парт­неров, образующих твердый раствор.

Несмотря на отсутствие строгой трансляционной симметрии твердые растворы во многих аспектах подобны кристаллическим веществам: им также присуща анизотропия физических свойств, рентгеновская дифракция выявляет в их структуре определенную элементарную ячейку с некоторыми усредненными параметрами, для них характерен зонный характер энергетического спектра элек­тронов, т. е. к ним применимы основные представления зонной тео­рии твердого тела. Таким образом, в изовалентных твердых растворах элементы структурного беспорядка выражены относительно слабо. Как и в бинарных соединениях, между атомами устанавливаются смешанные ковалентно-ионные sp³-гибридные связи, поскольку в среднем сохраняется четыре валентных электрона на атом.

По своему внутреннему строению и свойствам эти материалы занимают промежуточное положение между упорядоченными и неупорядоченными фазами. Благодаря жестким ковалентным свя­зям в них не наблюдается значительных отклонений от стехиометрического состава, если под стехиометрией понимать равен­ство между всей совокупностью металлических атомов решетки и суммарным числом атомов металлоидных элементов.

Подобно бинарным соединениям, твердые растворы относи­тельно просты по механизму легирования, допускают инверсию типа электропроводности, что открывает возможности формиро­вания в них электронно-дырочных переходов. Различия в кова-лентных радиусах взаимозамещаемых атомов являются причиной деформации равновесных длин связей и валентных углов. Энергия внутренних упругих искажений решетки накладывает ограниче­ния на взаимную растворимость компонентов и определяет тер­модинамическую устойчивость твердого раствора. Из-за сильного различия размеров металлоидных атомов твердые растворы не образуются между нитридами А^ШВ^У, с одной стороны, и фосфи­дами, арсенидами или антимонидами — с другой (за исключени­ем областей крайне низкой концентрации растворяемого компо­нента). Наоборот, близость ковалентных радиусов атомов алюми­ния и галлия обеспечивает образование непрерывных твердых ра­створов в системах Al_xGa_1-xAs, Al_xGa_1-xР и Al_xGa_1-xSb во всем диапазоне концентраций.

В гомогенных твердых растворах слабо выражены эффекты, свя­занные с размытием спектра электронных состояний. Поэтому у прямозонных полупроводников сохраняются достаточно резкий край собственного поглощения и сравнительно узкие линии в спектре рекомбинационного излучения. Отмеченные обстоятельства позволяют рассматривать изовалентные твердые растворы как важнейшие материалы оптоэлектроники. К этому следует доба­вить, что температурные изменения электрофизических парамет­ров также принципиально не отличаются от соответствующих за­висимостей для бинарных соединений.

Многие свойства твердых ра­створов являются аддитивными функциями состава. Поэтому для расчета физических параметров материала широко используются методы линейной интерполяции. Здесь уместно выделить правило Вегарда, устанавливающее линейную зависимость периода решетки от состава квазибинарного твердого раствора. Пользуясь этим пра­вилом, можно надежно определять состав твердых растворов по измерениям периода решетки с помощью рентгеновских методов дифракции.

Получение однородных твердых растворовпред­ставляет собой весьма трудную технологическую задачу. Обычны­ми методами кристаллизации из расплава в лучшем случае удает­ся получать однородные поликристаллические слитки. Монокри­сталлические слои твердых растворов, используемые в приборных структурах, формируют исключительно методами эпитаксии. При этом практически всегда приходится иметь дело с гетероэпитаксией, т. е. производить осаждение слоев на инородные подложки. В качестве последних используют пластины бинарных соедине­ний, вырезанные из объемных слитков параллельно определен­ной кристаллографической плоскости. Сравнительно редко при­меняют подложки из других материалов (кремний, сапфир).

Более совершенными и надежными методами формирования эпитаксиальных структур на основе твердых растворов являются химическое осаждение из паров металлоорганических соединений и молекулярно-пучковая эпитаксия (см. подразд. 5.5). Химическое осаждение твердых растворов осуществляется в соответствии с реакциями следующего типа:

Изменяя давление алкилов и гидридов на входе в реакцион­ный объем, можно легко управлять составом кристаллизуемой фазы и скоростью осаждения.

В методе молекулярно-пучковой эпитаксии состав синтезируе­мого материала зависит от плотности потоков веществ, испаря­емых из эффузионных ячеек. Средства управления и диагностики позволяют контролируемо осаждать слои с требуемым содержа­нием компонентов толщиной менее одного периода кристалли­ческой решетки.

Применение твердых растворов.Область применения твердых ра­створов достаточно многообразна, но преимущественно ориентиро­вана на полупроводниковую оптоэлектронику. Именно с помощью твердых растворов удается получать самые высокоэффективные ла­зеры и светоизлучающие диоды. Исключительная роль твердых ра­створов в полупроводниковой технологии определяется прежде все­го тем, что при их использовании появляются большие возможно­сти для формирования высококачественных гетеропереходов. Под ге­теропереходом понимается контакт двух полупроводников с различ­ной шириной запрещенной зоны. Композиции, сформированные из нескольких гетеропереходов, называются гетероструктурами. Разли­чают изотипные и анизотипные гетеропереходы. Изотипный гетеро­переход образуют материалы с одинаковым типом электропровод­ности, а в анизотипных гетеропереходах знак основных носителей заряда различен по обе стороны от гетерограницы.

Гетеропереход, в котором отсутствуют поверхностные состо­яния (дефекты) на гетерогранице, называют идеальным. В таком гетеропереходе скорость поверхностной рекомбинации ничтожно мала. Для создания гетероперехода со свойствами идеального кон­такта необходимо добиться строгого согласования периодов ре­шеток сопрягаемых материалов. Допустимые несоответствия пе­риодов Аа/а, как правило, не должны превышать 0,1 %. Только в этом случае удается избежать генерации дислокаций, обусловлен­ных релаксацией возникающих упругих напряжений.

Читайте также:

Рекомендуемые страницы:

Поиск по сайту

poisk-ru.ru

No related posts.