Электрические свойства полупроводников — Справочник химика 21

    Самую большую и разнообразную группу составляют полупроводники, т. е. вещества со значениями электропроводности в интервале примерно от Ю» до 10 ом -см . К ним относятся многие простые тела (германий, кремний, бор, иод), сплавы (например, сплав цинка с сурьмой), различные неорганические соединения (окислы, сульфиды) и довольно большое число органических веществ (сложные ароматические соединения, белки, ряд синтетических полимеров). Однако особенности электрических свойств полупроводников не ограничиваются только величинами электропроводности. Одним из наиболее существенных отличий полупроводника от металла является характер зависимости электропроводности от температуры. В то время как сопротивле- [c.274]
    При повышении температуры проводимость полупроводников в отличие от металлов обычно возрастает (см. 2). Электропроводность диэлектриков тоже возрастает. При температуре, близкой к абсолютному нулю, проводимость полупроводников и диэлектриков практически нулевая. По электрическим свойствам полупроводники стоят ближе к диэлектрикам, чем к металлам, от которых они имеют принципиальное качественное отличие. [c.232]

    Зависимость электрических свойств полупроводников от температуры и освещенности объясняется электронным строением их кристаллов. Здесь, как и у изоляторов, валентная зона отделена от зоны проводимости запрещенной зоной (рис. 33.1, полупроводник). Однако ширина запрещенной зоны АЕ в случае полупроводников невелика. Поэтому при действии квантов лучистой энергии или при нагревании электроны, занимающие верхние уровни валентной зоны, могут переходить в зону проводимости и участвовать в переносе электрического тока. С повышением температуры или увеличении освещенности число электронов, 

[c.635]

    На рис. 97 приведена простая (стандартная или параболическая) структура зон. Она часто используется при качественном рассмотрении электрических свойств полупроводников. Характеризуется эта модель тем, что обе зоны имеют невырожденные экстремумы в центре приведенной зоны Бриллюэна, т. е. в точке [c.235]

    Основные электрические свойства полупроводников определяются примесями, содержащимися в пределах 10 %. Очистка этих материалов от примесей или введение в них заданного количества примесей встречает серьезные технологические трудности. 

[c.25]

    Так как примеси влияют на электрические свойства полупроводников, к чистоте полупроводниковых материалов и к регулярности их кристаллической структуры предъявляются высокие требования. [c.287]

    Электрические свойства полупроводников и диэлектриков во многом определяются степенью заполнения электронами валентной зоны и шириной запрещенной зоны между верхней границей валентной зоны и нижней границей зоны проводимости. Любой процесс, происходящий с электронами, сводится к изменению их состояний.

Но если в пределах зоны все состояния заполнены, то в этой зоне невозможны никакие изменения скорости, энергии, направления спина. Поэтому электроны целиком заполненной валентной зоны не могут участвовать в переносе электрических зарядов, оставаясь в этой зоне. Для металлов характерно, что валентная зона заполнена частично, у диэлектриков и полупроводников при Т — О все электроны находятся в валентной зоне, а при Г > О электроны частично заполняют зону проводимости. [c.42]

    Вводя в один и тот же кристалл полупроводника примеси различного характера, можно, изменяя характер проводимости, создавать различные электронные схемы (диоды, триоды, тетроды и т. д.). Влияние примесей на электрические свойства полупроводников и объясняет те высокие требования, которые предъявляются к чистоте полупроводниковых материалов и к их кристаллической структуре, которая должна обладать наименьшей концентрацией несовершенств (дислокации, блоки, вакансии).  [c.448]

    Становление науки о полупроводниках обязано не только химическим методам получения и очистки веществ, но также использованию химических представлений и химической теории. В частности, поведение электронов и дырок в полупроводниках (см, рис. 10.22) подчиняется закону действия масс и законам химического равновесия. Подобно тому как концентрация реагентов влияет на скорость химической реакции, концентрация электронов и дырок влияет на проводимость и другие электрические свойства полупроводников. Это позволяет предсказывать электрические свойства полупроводников и связывать их со степенью чистоты полупроводниковых веществ путем применения основных химических представлений и законов. 

[c.400]

    Свойства и применение (см. также табл. 26). Хрупкий с серебряным блеском металл. По электрическим свойствам — полупроводник. Па воздухе [c.331]

    ЛИЧИНЫ контактной разности потенциалов, которая дает значение разности работ выхода исследуемого полупроводника и электрода сравнения и определяется так называемым методом вибрирующего конденсатора. Корреляция между изменением работы выхода в результате введения добавок и активностью катализатора в исследуемой реакции может дать сведения о путях улучшения свойств данного катализатора. То обстоятельство, что одни и те же факторы могут влиять как на каталитическую активность, так и на оптические и электрические свойства полупроводника, позволяет связывать каталитические исследования с измерением красной границы внешнего фотоэффекта полупроводника. 

[c.35]

    Глава 21. Электрические свойства полупроводников [c.4]

    ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ [c.341]

    Измерение электрических свойств полупроводников [c.174]

    При высоких температурах (выше 300°) реакция очень чувствительна к дефектам в решетке (Парравано, Шваб), и ее следует связывать с электрическими свойствами полупроводника [101]. [c.143]

    Электрические свойства полупроводников [c.72]

    Влияние примесей на электрические свойства полупроводников и объясняет те высокие требования, которые предъявляются к чистоте полупроводниковых материалов и к их кристаллической структуре, которая должна обладать наименьшее концентрацией несовершенств (дислокации, блоки, вакансии).

 [c.434]

    На электрические свойства полупроводников влияют не только посторонние примеси, но и всякие изменения и нарушения в структуре их кристаллических решеток. [c.250]

    Электрические свойства полупроводников и диэлектриков во многом определяются степенью заполнения электронами валентной зоны и шириной запрещенной зоны АЕ между верхней границей валентной зоны и нижней границей зоны проводимости (рис. 7). Любой процесс, происходящий с электронами, сво-// ///Ш.//и/, дится к изменению их состояний. Но если в пределах зоны все состояния заполнены, 

[c.22]

    Зависимость электрических свойств полупроводников от температуры и освещенности объясняется электронным строением их кристаллов. Здесь, как и у изоляторов, валентная зона отделена от зоны проводимости запрещенной зоной (рис. 139, полупроводник). Однако ширина запрещенной зоны А в случае полупроводников невелика. Поэтому при действии квантов лучистой энергии или [c. 529]

    Зависимость электрических свойств полупроводников от температуры и освещенности объясняется электронным строением их кристаллов. Здесь, как и у изоляторов, валентная зона отделена от зоны проводимости запрещенной зоной (рис. 138, полупроводник). Однако ширина запрещенной зоны IS.E в случае полупроводников невелика. Поэтому при действии квантов лучистой энергии или при нагревании электроны, занимающие верхние уровни валентной зоны, могут переходить в зону проводимости и участвовать в переносе электрического тока. С повышением температуры или при увеличении освещенности число электронов, переходящих в зону проводимости, возрастает в соответствии с этим увеличивается и электропроводность полупроводника. 

[c.535]

    Влияние локальных искажений кристаллической решетки на электрические свойства полупроводников зонная теория объясняет появлением новых разрешенных энергетических уровней в запрещенной зоне, положение которых определяется как природой решетки, так и природой дефектов.

 [c.158]

    В табл. 33 приводятся некоторые физико-химические и электрические свойства полупроводников типа А2В3 с дефектной тетраэдрической структурой (для наиболее изученных модификаций). [c.149]

    Так как германий, а в последние годы и кремний, нашли очень широкое применение в радиоэлектронике, то сейчас имеется большое число работ в периодических изданиях, посвященных получению этих веществ в чистом состоянии, исследованию их полупроводниковых свойств и т. д. Вышли из печати специальные сборники, посвященные этим полупроводникам [37—42], в которых сообщаются данные об электрических, термоэлектрических, гальваномагнитных, оптических и других свойствах элементов — полупроводников. Поэтому ниже мы приведем только сведения об основных физико-химических и электрических свойствах полупроводников этой группы. Вопросы получения и очистки будут затронуты очень кратко.  [c.57]

    Серое олово не нашло практического применения. Но его исследования имели большое научное значение, так как впервые продемонстрировали связь электрических свойств полупроводников с их химической природой — положением в периодической системе, кристаллической структурой и типом связи. Впервые оказалось возможным делать прогнозы в отношении электрических свойств еще неизученных веществ. Это, несомненно, имело большое значение для дальнейшего развития как химии, так и физики полупроводников. [c.80]

    Электрические свойства полупроводников резко меняются в зависимости от условий внешней среды. Влажность окружаю-ш,его воздуха, давление, изменение температуры — все это строго закономерно изменяет сопротивление полупроводника, а измерение сопротивления — одна из простых и точных операций. Можно также измерять температуру почвы на любой глубине, температуру поверхности листа, стебля и др. [c.333]

    Все электрические свойства полупроводников, из которых электропроводность является самым наглядным примером, зависят от количества носителей тока (электронов и дырок). Количество носителей тока в элементарных полупроводниках (таких, как кремний или германий) обычно определяется концентрацией элементов-примесей III и V групп. Каждый из этих элементов обеспечивает точно один электрон проводимости или дырку на один атом примеси (но не при низких температурах). Иногда другие электрически активные примеси дают непосредственно электроны или дырки. Полезная концентрация носителей тока может составлять 1 носитель на 10 атомов кристалла. Отсюда следует, что чистота исходного материала должна быть значительно выше и концентрация примесей, вводимых в материал для создания носителей тока, должна быть выше остаточных примесей. [c.26]

    С практической и технологической точки зрения очень важно знать процессы растворения, диффузии и сорбции для успешного развития производства и применения многих изделий, таких, например, как упаковочные пленки, защитные покрытия и др. Присутствие инородных веществ в твердом теле часто определяет его свойства. Пластификация высокополимеров и влияние следов примесей на электрические свойства полупроводников могут служить в этом отношении убедительными примерами. [c.229]

    Установлено, что при облучении быстрыми нейтронами или ионами заметно меняются многие свойства твердых тел тепло- и электропроводность, твердость и другие механические свойства, параметры кристаллической решетки. Многие из этих изменений аналогичны получаемым совсем другими путями, например при холодной обработке металлов. В большинстве случаев эффекты обратимы, исходные свойства можно восстановить в результате нагревания ( отжиг радиационных эффектов). При облучении нейтронами и другими тяжелыми частицами полупроводников существенное значение имеет образование в их решетке инородных (примесных) атомов в результате ядерных реакций. Так, например, с помощью дозированного облучения можно создавать в кристалле германия определенные примеси галлия и таким образом плавно изменять электрические свойства полупроводника.  [c.129]

    Влияние дислокаций и других дефектов сказывается не только на росте кристалла и его механических свойствах, но и на электрических свойствах полупроводников, так как вызывают рассеяние носителей заряда. Дефекты решетки сильно влияют на оптические свойства некоторых кристаллов. Например, вакансии в анионной подрешетке галидов щелочных металлов являются центрами притяжения электронов. Когда в места таких вакансий попадают электроны, то возникают так называемые F-центры, вследствие чего бесцветные прозрачные кристаллы (Na l и др.) приобретают синюю или пурпурную окраску из-за поглощения света электронами, захваченными де ктами решетки. [c.146]

    В валентной концепции проводимости полупроводников с малой подвижностью носителей тока Р. Л. ]у1юллер развивает представления А. Ф. Иоффе о решающей роли локализованных валентных связей в электрических свойствах полупроводников. Р. Л, Мюллером проведен расчет предэкспонен-циального статистического множителя Оо в выражении для собственной ( в,  [c. 4]

    В последние годы для объяснения электрических свойств полупроводников с малой подвижностью носителей развита теория поляронов малого радиуса [114]. Размер полярона, т. е. объем кристалла, который он занимает, обратно пропорционален силе элек-трон-фононной связи [122]. В зависимости от радиуса полярона (гп) различают поляроны большого радиуса (континуальные) и малого радиуса [123, 124]. Для полярона малого радиуса Гп постоянная решетки) связь носителей тока с колебаниями решетки очень сильна и рассеяние обусловлено многофонон-ными процессами. Механизм переноса заряда путем перескока возможен только в случае, когда носитель тока — полярой малого радиуса, т. е. интеграл перекрытия мал, а параметр электрон-фононной связи велик. Для перескока необходимо соблюдение неравенства [c.90]

    Первый цикл советских работ по электронной теории катализа оборвался со смертью Л. В. Писарл евского. Затем на протяжении более чем десяти лет по электронному механизму катализа не появлялось новых идей и обобщений ни у нас, ни за границей. Этот период покоя в электронной теории катализа, напротив, оказался очень продуктивным для развития электронной теории твердого тела. Наряду с развитием теории металлов (сверхпроводимость, теория магнитных свойств, теория сплавов и др.) был создан, в значительной мере трудами нашей советской физической школы А. Ф. Иоффе, новый, богатый приложениями раздел учения о твердом тело — физика полупроводников, теоретические основы которого были сформулированы Я. И. Френкелем и его учениками. Было установлено, что электрические свойства полупроводников регулируются микропримесями, отдающими и захватывающими электроны, а так ке отклонениями химического состава кристаллов от стехиометрии. Содержание и размещение микропримесей в твердом теле определяют концентрацию в нем электронов и электронных дырок и локальные изменения этой концентрации. [c.6]

    Изменение электрических свойств полупроводников под влиянием дислокаций определяется как появлением совсем новых энергетических уровней или даже зон [26, 36—43], так и изменением ширины запрещенной зопы, вызываемым полем дислокационных деформаций. Большинство авторов считают, что эти уровни описывают электронные состояния, возникающие на дислокациях вследствие наличия в их ядре разорванных, ненасыщенных связей. В зависимости от положения уровня Ферми относительно дислокационных уровней разорванные связи могут либо захватывать электроны из зоны проводимости, обусловливая акцепторное действие дислокаций, либо отдавать электроны в зону проводимости, обусловливая донор-ное действие. Между захваченными дислокацией электронами возникает кулоновское отталкивание. Поэтому не все акцепторные центры (ненасыщенные связи) заполнены. По расчетам Рида [36] коэффициент заполнения / дислокационных акцепторных уровней не может превышать величину 0,1. Если расстояние Л1еж-ду захваченныл1и электронами мало по сравнению со средним расстоянием между химическими донорами или акцепторами, то вокруг отрицательно заряженной дислокационной [c.246]

    Экспериментальные исследования влияния дислокаций на электрические свойства полупроводников связаны с определенными трудностями. При пластическом деформировании монокристаллов ковалентных полупроводников в температурном интервале пластичности наряду с дислокациями образуются точечные дефекты, перераспределяются примеси и изменяется их состояние. Вклад этих эффектов в некоторых случаях превосходит изменения, связанные с дислокациями [44—46], и может даже привести к инверсии типа проводимости образца [44, 45]. Все это вместе со сложностью создания кристаллов с заданной дислокационной структурой обусловило большую противоречивость экснерийшнтальных данных о положении дислокационных уровней, полученных при исследованиях эффекта Холла, фотопроводимости, рекомбинационного излучения [26, 40, 41]. [c.247]

    В последние годы были предприняты попытки [49— 52] развития методов экспериментального исследования локальных изменений электрических свойств полупроводников под влиянием индивидуальных дислока ций. Они открывают перспективы не только получения более определенных данных для сопоставления с теорией, но и поиска качественно новых эффектов, допускающих соз- [c. 249]

---

Электрофизические свойства полупроводников

1. Электрофизические свойства  полупроводников

Полупроводниками являются вещества, занимающие по величине удельной проводимости промежуточное положение между  проводниками и диэлектриками. Эти  вещества обладают как свойствами проводника, так и свойствами диэлектрика. Вместе с тем они обладают рядом специфических свойств, резко отличающих их от проводников и диэлектриков, основным из которых является сильная зависимость удельной проводимости от воэдействия внешних факторов (температуры, света, электрического поля и др.) 
К полупроводникам относятся элементы четвертой группы периодической таблицы Менделеева, а также химические соединения элементов третьей и пятой групп типа A^III B^V (GaAs, InSb) и второй и шестой групп типа A^II B ^VI ( CdS, BbS, CdFe). Ведущее место среди полупроводниковых материалов, используемых в полупроводниковой электронике, занимают кремний, германий и арсенид галлия GaAs.

1.1 Собственные и примесные полупроводники

Собственными полупроводниками или  полупроводниками типа i (от английского intrinsic — собственный) называются чистые полупроводники, не содержащие примесей. Примесными полупроводникам называются полупроводники, содержащие примеси, валентность которых отличается от валентности основных атомов. Они подразделяются на электронные и дырочные.

Собственный полупроводник

Собственные полупроводники имеют  кристаллическую структуру, характеризующуюся  периодическим расположением атомов в узлах пространственной кристаллической  решетки. В такой решетке каждый атом взаимно связан с четырьмя соседними  атомами ковалентными связями (рис. 1.1), в результате которых происходит обобществление валентных электронов и образование устойчивых электронных  оболочек, состоящих из восьми электронов. При температуре абсолютного  нуля (T=0° K) все валентные электроны  находятся в ковалентных связях, следовательно, свободные носители заряда отсутствуют, и полупроводник  подобен диэлектрику. При повышении  температуры или при облучении  полупроводника лучистой энергией валентный  электрон может выйти из ковалентной  связи и стать свободным носителем  электрического заряда. (Рис. 1.2). При  этом ковалентная связь становится дефектной, в ней образуется свободное (вакантное) место, которое может  занять один из валентных электронов соседней связи, в результате чего вакантное  место переместится к другой паре атомов. Перемещение вакантного места  внутри кристаллической решетки  можно рассматривать как перемещение  некоторого фиктивного (виртуального) положительного заряда, величина которого равна заряду электрона. Такой положительный  заряд  принято называть дыркой.

Процесс возникновения свободных  электронов и дырок, обусловленный  разрывом ковалентных связей, называется тепловой генерацией носителей заряда. Его характеризуют скоростью генерации G, определяющей количество пар носителей заряда, возникающих в единицу времени в единице объема. Скорость генерации тем больше, чем выше температура и чем меньше энергия, затрачиваемая на разрыв ковалентных связей. Возникшие в результате генерации электроны и дырки, находясь в состоянии хаотического теплового движения, спустя некоторое время, среднее значение которого называется временем жизни носителей заряда, встречаются друг с другом, в результате чего происходит восстановление ковалентных связей. Этот процесс называется рекомбинацией носителей заряда и характеризуется скоростью рекомбинации R, которая определяет количество пар носителей заряда, исчезающих в единицу времени в единице объема. Произведение скорости генерации на время жизни носителей заряда определяет их концентрацию, то есть количество электронов и дырок в единице объема. При неизменной температуре генерационно- рекомбинационные процессы находятся в динамическом равновесии, то есть в единицу времени рождается и исчезает одинаковое количество носителей заряда (R=G). Это условие называется законом равновесия масс.  
Состояние полупроводника, когда R=G, называется равновесным; в этом состоянии в собственном полупроводнике устанавливаются равновесные концентрации электронов и дырок, обозначаемые n_i и p_i . Поскольку электроны и дырки генерируются парами, то выполняется условие: n_i=p_i . При этом полупроводник остается электрически нейтральным, т.к. суммарный отрицательный заряд электронов компенсируется суммарным положительным зарядом дырок. Это условие называется законом нейтральности заряда. При комнатной температуре в кремнии n_i=p_i=1,4· 10¹⁰ см^-3, а в германии n_i=p_i=2,5· 10¹³ см^-3. Различие в концентрациях объясняется тем, что для разрыва ковалентных связей в кремнии требуются большие затраты энергии, чем в германии. С ростом температуры концентрации электронов и дырок возрастают по экспоненциальному закону.

 

Электронный полупроводник

Электронным полупроводником или  полупроводником типа n ( от латинского negative — отрицательный) называется полупроводник, в кристаллической решетке которого (рис . 1.3)помимо основных (четырехвалент-ных) атомов содержатся примесные пятивалентные атомы, называемые донорами. В такой кристаллической решетке четыре валентных электрона примесного атома заняты в ковалентных связях, а пятый (“лишний”) электрон не может вступить в нормальную ковалентную связь и легко отделяется от примесного атома, становясь свободным носителем заряда. При этом примесный атом превращается в положительный ион. При комнатной температуре практически все примесные атомы оказываются ионизированными. Наряду с ионизацией примесных атомов в электронном полупроводнике происходит тепловая генерация, в результате которой образуются свободные электроны и дырки, однако концентрация возникающих в результате генерации электронов и дырок значительно меньше концентрации свободных электронов, образующихся при ионизации примесных атомов, т.к. энергия, необходимая для разрыва ковалентных связей, существенно больше энергии, затрачиваемой на ионизацию примесных атомов.Концентрация электронов в электронном полупроводнике обозначается n_n, а концентрация дырок — p_n. Электроны в этом случае являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными.

Дырочный полупроводник

Дырочным полупроводником или  полупроводником типа p ( от латинского positive — положительный) называется полупроводник, в кристаллической решетке которого (рис. 1.4) содержатся примесные трехвалентные атомы, называемые акцепторами. В такой кристаллической решетке одна из ковалентных связей остается незаполненной. Свободную связь примесного атома может заполнить электрон, покинувший одну из соседних связей. При этом примесный атом превращается в отрицательный ион, а на том месте, откуда ушел электрон, возникает дырка. 
В дырочном полупроводнике, также как и в электронном, происходит тепловая генерация носителей заряда, но их концентрация во много раз меньше концентрации дырок, образующихся в результате ионизации акцепторов. Концентрация дырок в дырочном полупроводнике обозначается p_p, они являются основными носителями заряда, а концентрация электронов обозначается n_p,они являются неосновными носителями заряда.

1.2. Энергетические диаграммы  полупроводников

Согласно представлениям квантовой  физики электроны в атоме могут  принимать строго определенные значения энергии или, как говорят, занимать определенные энергетические уровни. При этом, согласно принципу Паули, в одном и том же энергетическом состоянии не могут находиться одновременно два электрона. Твердое тело, каковым является полупроводниковый кристалл, состоит из множества атомов, сильно взаимодействующих друг с другом, благодаря малым межатомным расстояниям. Поэтому вместо совокупности разрешенных дискретных энергетических уровней, свойственных отдельному атому, твердое тело характеризуется совокупностью разрешенных энергетических зон, состоящих из большого числа близко расположенных энергетических уровней. Разрешенные энергетические зоны разделены интервалами энергий, которыми электроны не могут обладать и которые называются запрещенными зонами. При температуре абсолютного нуля электроны заполняют несколько нижних энергетических зон. Верхняя из заполненных электронами разрешенных зон называется валентной зоной, а следующая за ней незаполненная зона называется зоной проводимости. У полупроводников валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной зоной. При нагреве вещества электронам сообщается дополнительная энергия и они переходят с энергетических уровней валентной зоны на более высокие энергетические уровни зоны проводимости. В проводниках для совершения таких переходов требуется незначительная энергия, поэтому проводники характеризуются высокой концентрацией свободных электронов (порядка 10²² см^-3). В полупроводниках для того, чтобы электроны смогли перейти из валентной зоны в зону проводимости, им должна быть сообщена энергия не менее ширины запрещенной зоны. Это и есть та энергия , которая необходима для разрыва ковалентных связей. 
На рис. 1.5 представлены энергетические диаграммы собственного электронного и дырочного полупроводников, на которых через E_C обозначена нижняя граница зоны проводимости, а через E_V— верхняя граница валентной зоны. Ширина запрещенной зоны DE_з= E_c— E_v. В кремнии она равна 1,1 эВ, в германии — 0,7 эВ.

С точки зрения зонной теории под  генерацией свободных носителей  заряда следует понимать переход  электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис. 1.5,а). В результате таких переходов в валентной  зоне появляются свободные энергетические уровни, отсутствие электронов на которых  следует трактовать как наличие  на них фиктивных зарядов — дырок. Переход электронов из зоны проводимости в валентную зону следует трактовать как рекомбинацию подвижных носителей  заряда. Чем шире запрещенная зона, тем меньше электронов способно преодолеть ее. Этим объясняется более высокая  концентрация электронов и дырок  в германии по сравнению с кремнием. 
В электронном полупроводнике (рис.1.5,б) за счет наличия пятивалентных примесей в пределах запрещенной зоны вблизи дна зоны проводимости появляются разрешенные уровни энергии E_D. Поскольку один пpимесный атом приходится примерно на 10⁶ атомов основного вещества, то пpимесные атомы практически не взаимодействуют друг с другом. Поэтому пpимесные уровни не образуют энергетическую зону и их изображают как один локальный энергетический уровень Е_D, на котором находятся «лишние» электроны пpимесных атомов, не занятые в ковалентных связях. энергетический интервал DE_и= E_c-E_D называется энергией ионизации. Величина этой энергии для различных пятивалентных примесей лежит в пределах от 0,01 до 0,05 эВ, поэтому «лишние» электроны легко переходят в зону проводимости. 
В дырочном полупроводнике введение трехвалентных примесей ведет к появлению разрешенных уровней Е_A(pис.1.5,в), которые заполняются электронами, переходящими на него из валентной зоны, в результате чего образуются дырки. переход электронов из валентной зоны в зону проводимости требует больших затрат энергии, чем переход на уровни акцепторов, поэтому концентрация электронов n_p оказывается меньше концентрации n_i, а концентрацию дыpок p_p можно считать примерно равной концентрации акцепторов N_A.  

1.3. Расчет равновесной  концентрации свободных носителей  заряда

Для расчета концентрации равновесных  носителей заpяда необходимо знать энергетическую плотность разрешенных состояний N(E) и веpоятность их заполнения электpонами р(E). В квантовой физике доказывается, что количество pазpешенных состояний , пpиходящееся на едиичный интеpвал энеpгии, т.е. энергетическая плотность состояний для нижней гpаницы зоны проводимости, определяется соотношением:

 , (1.1)

а для верхней границы валентной  зоны

, (1.2)

где С₁ и С₂ — коэффициенты пpопоpциональности, определяемые физическими константами.

Веpоятность заполнения pазpешенных уровней характеризуется функцией Ферми-Диpака:

, (1.3)

где E_F — уpовень Феpми.

Из (1.3) следует, что E_F — это уpовень, веpоятность заполнения котоpого пpи любой темпеpатуpе равна 1/2.

Зная N_c(E), N_v(E) и p(E) можно определить количество электронов, приходящихся на единичный интеpвал энеpгии, т. е. энергетическую плотность электpонов:

F_n(E)=N_c(E).p(E) , (1.4)

а также энергетическую плотность  дырок:

F_p(E)=N_v(E).[1- p(E)] . (1.5) 

Гpафики N_c(E), N_v(p), p(E), F_n(E) и F_p(E) представлены на pис.1.6 для случая, когда уpовень Феpми совпадает с серединой запрещенной зоны, что присуще собственному полупроводнику. заштрихованная площадь под графиком F_n(E) пропорциональна концентрации электpонов, а площадь под графиком F_p(E) — концентрации дырок. В собственном полупpоводнике концентpации электpонов и дырок равны друг другу, поэтому и заштрихованные площади одинаковы, что возможно пpи условии, что уpовень Феpми совпадает с серединой запрещенной зоны. В электронном полупpоводнике n_n>>p_p, следовательно площадь под графиком F_n(E) должна быть больше площади под графиком F_p(E), что возможно пpи условии, что уpовень Феpми в электронном полупpоводнике E_Fn и сдвинут вверх относительно уровня E_i. В дырочном полупpоводнике p_p>>n_p, поэтому уpовень Феpми E_Fp сдвинут вниз относительно E_i. 

Для расчета концентpации электpонов и дыpок необходимо определить площади под графиками F_n(E) и F_p(E) путем интегрирования, в результате получаются расчетные соотношения

(1.6)

и

, (1.7)

где N_C и N_V — коэффициенты пpопоpциональности, определяемые физическими константами.

Из соотношений (1.6) и (1.7) следует, что  концентpации электpонов и дыpок определяются положением уровня Феpми в собственном полупpоводнике n_i=p_i, поэтому приравниваем правые части уpавнений (1.6) и (1.7) и, решая относительно E_F, получаем:

,

то есть уpовень Феpми расположен примерно посередине запрещенной зоны. В этом случае:

 . (1.8)

Откуда следует, что концентрация носителей заряда в собственном  полупpоводнике определяется шириной запрещенной зоны и температурой. С ростом температуры она растет по экспоненциальному закону.

В электронном полупpоводнике n_n @ N_D. Поэтому подставляя в (1.6) вместо n величину N_D и, обозначая уpовень Феpми через E_Fn, получаем:

 . (1.9)

Аналогичным обpазом для дыpочного полупpоводника получаем:

. (1.10)

Из уpавнений (1.9) и (1.10) следует, что увеличение концентpации пpимеси пpиближает уpовень Феpми к границам запрещенной зоны. Пpи концентpации примесей порядка 10¹⁵ -10¹⁹ см^-3уpовень Феpми расположен сравнительно далеко от границ запрещенной зоны. Такое состояние полупpоводника называется невырожденным. Пpи более высокой концентpации примесей возрастает взаимодействие пpимесных атомов и происходит расширение полосы, занимаемой энеpгетическими уpовнями этих атомов, в pезультате эта полоса сливается с ближайшей к ней зоной pазpешенных уpовней, а уpовень Феpми оказывается за пpеделами запpещенной зоны. Такое состояние полупpоводника называется выpожденным. В этом состоянии полупроводник становится почти проводником. 
Положение уpовня Феpми изменяется с изменением темпеpатуpы. С ростом темпеpатуpы возрастает скорость тепловой генерации, поэтому все большее число электpонов переходит в зону проводимости. В pезультате различие в концентрациях основных и неосновных носителей заpяда становится меньше, а чем меньше это pазличие, тем ближе к сеpедине запpещенной зоны pасполагается уpовень Феpми. В пpеделе, когда концентpации электpонов и дыpок одинаковы, уpовень Феpми pасполагается посередине запpещенной зоны. Следовательно, в электронном полупpоводнике уpовень Феpми с повышением темпеpатуpы сдвигается вниз, а в дырочном полупpоводнике — вверх. 
Уравнения (1.6) и (1.7) для расчета концентpации носителей заpяда в электронном полупpоводнике с учетом сдвига уpовня Феpми относительно сеpедины запpещенной зоны легко приводится к виду:

Электрические свойства полупроводников — Энциклопедия по машиностроению XXL

В отличие от кристаллического полупроводника, где при комнатной температуре электроны с мелких донорных уровней переходят в зону проводимости, здесь они перейдут, в основном, на локализованные состояния вблизи уровня Ферми. При высокой плотности состояний это приводит к незначительному смещению уровня Ферми из положения Ер в положение и электрические свойства полупроводника практически не изменятся. Новое положение уровня Ферми может быть найдено из условия  [c.365]
Таблица показывает, что направления векторов Бюргерса наиболее устойчивых дислокаций хорошо согласуются с направлением скольжения. Выше уже указывалось, что скольжение в кристаллах осуществляется движением дислокаций, причем в процессе скольжения могут возникать новые и исчезать старые дислокации. Поэтому важными характеристиками являются плотность и распределение дислокаций. Под плотностью дислокаций понимают количество дислокаций, пересекающих площадку в м в кристалле. Для сравнительно совершенных кристаллов металлов (после их отжига, приводящего к уменьшению числа дислокаций, поскольку они представляют собой неравновесные образования) плотность дислокаций составляет 102—jgs см 2, а после пластической деформации может достигать 10 —см» . Дислокации сильно влияют (часто ухудшая) на электрические свойства полупроводников, и поэтому разработаны специальные способы выращивания монокристаллов полупроводников с малой плотностью дислокаций вплоть до бездислокационных.  [c.244]

Релаксация фотопроводимости. Изменение электрических свойств полупроводников под влиянием электромагнитного излучения зависит от времени (релаксация). После прекращения облучения проводимость более или менее быстро возвращается к тому значению, которое она имела до облучения. У одних полупроводников это длится микросекунды, у других измеряется минутами и даже часами. Знание инерционности фотопроводимости различных полупроводниковых веществ важно при разработке, например, фоторезисторов, к быстродействию которых  [c.247]

Поскольку концентрация и время жизни носителей тока в данном полупроводниковом приборе специально контролируются в процессе его изготовления, то эти характеристики предопределяют конкретную область применения прибора. Отклонения от заданных условий работы приводят к изменениям рабочих характеристик прибора, а они в свою очередь могут повлиять на работу всей цепи, в которую он входит. Иначе говоря, электрические свойства полупроводников зависят от типа и количества нарушений в кристаллической решетке. Поэтому не удивительно, что высокоэнергетические частицы, вызывая образование структурных дефектов и ионизацию атомов при прохождении через кристаллическую решетку, резко изменяют электрические свойства полупроводников. Ниже мы будем рассматривать как дефекты любые отклонения от нормальной кристаллической решетки и, в частности, инородные атомы, вакантные места в решетке (вакансии), промежуточные атомы (междоузлия), электроны и дырки в количествах, превышающих их равновесные концентрации, и т. д. Эти нарушения кристаллической решетки можно рассматривать как точечные, а нарушения другого типа — дислокации — как линейные дефекты.  [c.278]

Влияние радиационных нарушений на электрические свойства полупроводников обычно сводится к введению энергетических уровней в запрещенную энергетическую зону [44, 48]. Эти энергетические уровни связаны с дефектами в кристаллической решетке, которые могут захватывать электроны или дырки. Положительно заряженные места в решетке, образовавшиеся в результате захвата дырок, называются донорами. Акцепторами принято называть места в решетке, ставшие отрицательно заряженными в результате захвата электронов. Такие места в решетке оказывают большое влияние на концентрацию свободных дырок и электронов и, следовательно, на электрические и оптические свойства кристалла.  [c.282]

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ  [c.341]

На электрические свойства полупроводников влияют примеси. В решетке полупроводника атомы примесей легко ионизируются. Если примеси отдают электроны, то они становятся носителями электрического тока и сообщают полупроводнику отрицательную проводимость. Так, для кремния такими примесями являются фосфор и мышьяк, а для германия — мышьяк и сурьма. Если они присоединяют электроны атомов полупроводников, то в решетке полупроводника возникают положительно заряженные области, которые становятся носителями электрического тока и сообщают полупроводнику положительную проводимость. Для кремния такими примесями являются бор и алюминий, для германия — галлий и индий. В связи с этим необходимо получать полупроводниковые ма-  [c.66]

Примеси исключительно сильно изменяют электрические свойства полупроводников. Входя в решетку полупроводника, атомы примесей легко ионизируются, либо отдавая в решетку полупроводника электроны, которые становятся носителями электрического тока, либо присоединяя к себе электроны атомов полупроводника, вследствие чего в решетке полупроводника создаются положительно заряженные области — дырки , которые становятся носителями электрического тока, подобно электронам. Примеси образуют примесную проводимость в полупроводнике, которую называют так в отличие от собственной проводимости полупроводника, создаваемой собственными носителями тока вследствие ионизации собственных атомов полупроводника.  [c.483]

Примеси имеют тенденцию осаждаться (концентрироваться) на дислокациях, образуя так называемые примесные атмосферы, изменяя поведение и свойства дислокаций. Это наблюдается, например, в случае распада при низких температурах пересыщенного твердого раствора, который примеси могут образовать с полупроводником. При новом растворении нри высоких температурах примеси покидают дислокации. Осаждение атомов примеси на дислокациях может приводить к улучшению электрических свойств полупроводника в результате подавления неблагоприятного действия как примесей, так и дислокаций при их взаимодействии. Так, возрастание времени жизни неосновных носителей тока в германии с увеличением плотности дислокаций можно объяснить осаждением атомов меди на дислокациях.  [c.514]

Селен, теллур и полоний являются представителями шестой группы периодической системы элементов. Селен и теллур по своим свойствам несколько отличаются от полония. Сравнительно недавно физикам удалось показать, что ряд элементов в чистом виде является типичными полупроводниками. В табл. 8 полужирной рамкой выделены те элементы периодической системы, которые обнаруживают полупроводниковые свойства [1]. Справа от каждого элемента указана ширина запрещенной зоны, характеризующая электрические свойства полупроводника, слева — значение электроотрицательности, т. е. сила притяжения электронов в ковалентной связи. Из этих данных видно, что между указанными величинами имеется определенная корреляция. Закономерное изменение этих величин по вертикали и горизонтали свидетельствует о тесной связи между электрическими свойствами элементов и электронной структурой их атомов. Металлическая проводимость возрастает сверху вниз и справа налево, а изоляционные свойства— слева направо и снизу вверх. Теллур нри низких температурах является типичным полупроводником полупроводниковые свойства селена проявляются в громадном увеличении электропроводности под действием света (фотопроводимость) полоний к полупроводниковому классу веществ не относится.  [c.78]

По электрическим свойствам полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и изоляторами. Удельная электропроводность металлов находится в пределах 6-10 — 6-10 oм м , изоляторов 10 —10 ом -см , полупроводников 10 —10 ом -см .  [c.180]

Как известно, электрические свойства полупроводников в. значительной степени определяются наличием примесей. Примеси в полупроводниках создают дополнительные уровни энергии электронов в запрещенной области между последней заполненной зоной (валентной) и первой пустой зоной (зоной проводимости). Уровни могут быть мелкими, т. е. лежать у края валентной зоны (акцепторы) или зоны проводимости (доноры), а также глубокими,, т. е. лежать в глубине запрещенной зоны. Если концентрация примеси, создающей мелкие уровни, велика, то примесные уровни расширяются в зону, которая наползает на зону проводимости или валентную зону. При этом полупроводник становится вырожденным , т. е. в нем возникает конечное число носителей тока в зоне при 7 = 0. Такой полупроводник фактически является полуметаллом, т. е. в этом случае контакт з—зт—з переходит в контакт —п—8.  [c.480]

Очень хорошо очищенные полупроводники обнаруживают собственную проводимость, которую отличают от примесной проводимости менее чистых образцов. Когда говорят о температурной области собственной проводимости, то имеют в виду, что в этой области на электрические свойства полупроводника примеси в кристалле не оказывают существенного влияния.  [c.381]

Некоторые примеси и некоторые виды дефектов решетки могут весьма существенным образом влиять на электрические свойства полупроводников. Например, добавление в кремний бора в количестве одного атома на 10 атомов кремния увеличивает проводимость при комнатной температуре в тысячу раз по сравнению с чистым кремнием. В сложных полупроводниках недо-  [c.392]

Влияние примесей на электрические свойства аморфных полупроводников. Долгое время считалось, что аморфные полупроводники в отличие от кристаллических нечувствительны к введению в них примесей. Попытки легирования их атомами, которые в кристаллических полупроводниках являются донорами или акцепторами, не приводили к успеху. Одно из объяснений такого поведения было дано Губановым и несколько позднее Моттом. Оно сводится к тому, что в аморфных веществах может осуществляться такая перестройка связей, что все валентные электроны примесного атома будут участвовать в связях. Так, например, в кристаллическом кремнии атом фосфора образует четыре ковалентные связи. Пятый валентный электрон примесного атома в образовании связей не участвует. Предполагается, что в аморфном кремнии (или германии) атом фосфора окружен пятью атомами кремния (рис. 11.10). Если это так, то в аморфных полупроводниках не должны образовываться примесные уровни.  [c.364]

ОПТИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АМОРФНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ  [c.283]

При наличии даже небольшого количества примесей определенного вида электрические свойства чистого проводника резко меняются. Примеси одного вида приводят к появлению свободных электронов. Такой полупроводник называется донорным, или полупроводником п-типа. Примеси другого вида создают свободные  [c.504]

Появление дефектов в кристаллической решетке неизбежно искажает структуру электронных уровней, что приводит к изменению оптических и электрических свойств кристалла, и изменения существенны для диэлектриков и полупроводников, но не для металлов, внутри которых имеется большое число свободных электронов, которые, с одной стороны, практически не подвержены действию точечных дефектов решетки, а, с другой стороны, определяют электрические и оптические свойства кристалла.  [c.655]

Полупроводниковые материалы по электрическим свойствам занимают промежуточное положение между металлами и изоляторами. Подобно металлам, для полупроводников характерна проводимость электронным переносом и дырками (вакантное место, оставленное электроном, наделенное свойствами положительного заряда).  [c.279]

Селен в отличие от других полупроводников обладает аномальной температурной зависимостью концентрации свободных носителей заряда она уменьшается с ростом температуры, подвижность носителей заряда при этом возрастает. Электрические свойства, селена измерялись многими исследователями, однако данные весьма противоречивы.  [c.289]

Классификация веществ по электрическим свойствам. Все вещества в зависимости от их электрических свойств относят к диэлектрикам, проводникам или полупроводникам. Различие между проводниками, полупроводниками и диэлектриками наиболее наглядно можно показать с помощью энергетических диаграмм зонной теории твердых тел.  [c.12]

В основе современной электронной теории твердых тел лежит зонная теория. Рассмотрим кратко физическую суть этой теории, необходимой для понимания электрических свойств металлов] диэлектриков и полупроводников, а также работы многочисленных радиоэлектронных- устройств, использующих эти свойства.  [c.142]

Уже в наше время явлением заинтересовался советский ученый академик Иоффе, большую часть жизни посвятивший изучению удивительных свойств полупроводников—промежуточного класса веществ, не являющихся ни проводниками, ни изоляторами электрического тока.  [c.86]

Полимерные материалы обладают ценнейшими свойствами, которые можно с успехом использовать в машиностроении малой плотностью большим сопротивлением износу достаточной прочностью и пластичностью коррозионной стойкостью и электрическими свойствами (диэлектрики, полупроводники). Особая ценность полимерных материалов заключается в том, что их свойства можно варьировать в широких пределах, меняя наполнители пластмасс, технологию переработки и, наконец, само строение высокополимера как по химическому строению цепей, так И по взаимному расположению макромолекул.  [c.12]

Рассмотрим теперь причину высокого электрического сопротивления ферритов. В силу одинакового хода температурной зависимости логарифма электросопротивления от обратной температуры ферриты по электрическим свойствам относят к полупроводникам. Однако кристаллическая решетка ферритов состоит из чередующихся положительно и отрицательно заряженных ионов. Поэтому механизм электропроводности ферритов должен отличаться от механизма электропроводности полупроводников типа германия с большой длиной свободного пробега носителей тока.  [c.35]

ЯВЛЕНИЯ действием магнитного поля на электрические свойства твердых проводников, по которым течет электрический ток капиллярные— явления, обусловленные смачиванием и поверхностной энергией на границе фаз на уровне межмолекулярных сил контактные — электрические явления, возникающие в зоне контакта металлов или полупроводников переноса — необратимые процессы, приводящие к пространственному перемещению массы, энергии и т. п., возникающие вследствие действия внешних силовых полей или наличия пространственных неоднородностей состава, температуры)  [c.303]

Гидрогенизация аморфного кремния, как уже указывалось, позволила эффективно управлять его электрофизическими свойствами путем легирования. Между тем многие свойства полупроводника определяются шириной его запрещенной зоны, которая при легировании не изменяется (или изменяется незначительно). В целях расширения возможностей управления оптическими, фотоэлектрическими и электрическими свойствами полупроводника при изготовлении различных приборов наряду с гидрогенизированным аморфным кремнием применяют его сплавы с германием Ое, з Н, углеро-  [c.21]

Стекло алектропроводящее — обладает электрическими свойствами полупроводника, причем увеличение его электронной проводимости достигается повышением объемной или поверхностной электропроводности.  [c.469]

Ионизирующее излучение, воздействуя на окисную пленку, образующуюся на поверхности металла, может изменять ее электропроводность, защитные свойства и в соответствии с этим коррозионную стойкость металла. И. Л. Розенфельд и Е. К. Оше [1,29] показали, что ток пар цирконий — алюминий, цирконий — железо в движущемся растворе трехпроцентного хлористого натрия значительно возрастает при облучении катода (цирконий) потоком электронов большой энергии (0,8 Меё) с интенсивностью 15 мка/см . После начала облучения сила тока возрастала в 15—20 раз, а затем в течение всего опыта (1 час) оставалась постоянной. По окончании облучения величина тока уменьшалась почти до исходного значения. При облучении анода исследуемых гальванических пар сила тока не увеличивалась. Изменение электрохимической активности циркониевого электрода под действием облучения связано с изменением физических свойств окисной пленки на циркониевом катоде. Окисная пленка на катоде (2гОг) рассматривается как полупроводник. Электрические свойства полупроводников могут существенно изменяться под влиянием облучения, которое в большинстве случаев вызывает резкое увеличение электропроводности полупроводников. Величина тока исследуемых пар определяется скоростью катодной реакции восстановления кислорода. Если допустить, что скорость этой реакции лимитируется высоким сопротивлением пленки-полупроводника на катоде, облучение, уменьшая сопротивление пленки окиси циркония, должно ускорить катодную реакцию и привести к резкому увеличению тока коррозионной пары.  [c.37]

В реальных кристаллах электроны и дырки могут проходить баллистически только очень малые расстояния. Это связано с тем, что. периодичность решетки нарушается примесями или упругими волнами, заставляющими электрон рассеиваться с изменением величины и направления вектора к. Процессами рассеяния электронов определяются электрические свойства полупроводников.  [c.130]

Краевая дислокация соответствует нарушению вдоль края образовавшейся в кристалле под влиянием тех или иных причин неполной атомной плоскости. Вдоль этого края атомы кристалла имеют несовершенную координацию — неполное число соседей, вследствие чего одна или более связей у этих атомов являются незавершенными. В кристаллах германия и кремния координационное число равно четырем. Краевые дислокации с некоторой долей винтовой компоненты в этих кристаллах образуются на плоскостях 111) вдоль направлений . Атомы вдоль края неполной плоскости имеют один неспаренный электрон (рис. V. 20) и могут взаимо/1ействовать с электронами, захватывая их с образованием спаренной связи, с выделением энергии. Такая дислокация ведет себя в полупроводнике, следовательно, подобно акцепторной примеси. В связи с этим дислокации изменяют электрические свойства полупроводника, ухудшая в особенности время жизни неосновных (вводимых в полупроводник извне) носителей тока, характеристику, определяющую качество работы ответственных полупроводниковых приборов (транзисторов).  [c.512]

Примеси могут быть электрически активными и неактивными. Электрически активные примеси влияют на электрические свойства полупроводника, а электрически неактивные — нет. К электрически активным относят примеси, которые при введении их в полупроводник образуют уровень или систему уровней в запрещенной зоне полупроводникаи при увеличении температуры от О К могут ионизоваться с изменением концентрации свободных носителей заряда в полупроводнике. К электрически неактивным примесям относят примеси, которые не образуют  [c.116]

Существенное влияние на электрические свойства полупроводников оказывают примеси других веществ. Наибольший интерес представляет случай, когда примесью являются элементы третьей и пятой групп периодической системы. При введении такой примеси в кремний образуется твердый раствор замещения, т. е. атомы примесей замещают в узлах кристаллической решетки атомы кремния. Если атом кремния замещается атомом пятивалентной нримсси (например Р, Аз, 5Ь), то четыре из пяти электронов внешней оболочки атома примеси принимают участие в образовании ковалентных связей с четырьмя соседними атомами кремния. Пятый, избыточный или, как его называют, примесный электрон, не участвующий в образовании ковалентных связей, остается связанным с атомом примеси, но перевести его в свободное состояние значительно легче, чем любой электрон валентной связи. Энергия, необходимая для перевода примесного электрона в свобод 1ое состояние, носит название энергии ионизации примеси.  [c.17]

Существование металлов, полупроводников и диэлектриков, как известно, объясняется зонной теорией твердых тел, полностью основанной на существовании дальнего порядка. Открытие того, что аморфные вещества могут обладать теми же электрическими свойствами, что и кристаллические, привело к переоценке роли периодичности. В 1960 г. А. Ф. Иоффе и А. Р. Регель высказали предположение, что электрические свойства аморфных полупроводников определяются не дальним, а ближним порядком. На основе этой идеи была развита теория неупорядоченных материалов, которая позволила понять многие свойства некристаллических веществ. Большой вклад в развитие физики твердых тел внесли советские ученые А. Ф. Иоффе, А. Р. Регель, Б. Т. Коломиец, А. И. Губанов, В. Л. Бонч-Бруевич и др. Губановым впервые дано теоретическое обоснование применимости основных положений зонной теории к неупорядоченным веществам.  [c.353]

Специалисты полагают, что удешевление фотоэлементов за счет перехода к аморфному кремнию вместо монокристалличе-ского сделает метод прямого преобразования солнечной энергии в электрическую конкурентноспособным по сравнению с другими методами получения энергии. Подробное описание солнечных батарей на аморфном кремнии дано в i[68]. В настоящее время наиболее перспективным материалом считается определенным образом приготовленный аморфный сплав кремния с водородом, фотогаль-ванический эффект в котором был открыт в 1974 г. К 1978 г. КПД солнечных батарей на этом материале достиг 6%. Эта величина в 3—4 раза меньше достигнутой на кристаллических Si и GaAs, однако в последних максимальные значения КПД были получены через 20 лет после открытия соответствующего эффекта. Это подтверждает несомненную перспективность аморфных материалов для использования в солнечных батареях. Для успешной реализации этих батарей необходимо выполнение ряда условий, таких, как большой коэффициент оптического поглощения (в широкой области спектра), эффективный сбор носителей электричества на обеих сторонах полупроводникового материала (пленки), достаточно большой внутренний потенциал, определяющий ЭДС элемента. Эти условия определяются оптическими и электрическими свойствами аморфных полупроводников и в конечном счете энергетическим спектром электронов. Поэтому далее мы перечислим некоторые характерные свойства этих материалов, достаточно тесно связанные с картиной распределения состояний электронов по энергетическим зонам.  [c.284]

В авиационной технике полупроводниковые материалы используют в приборах для генерации и усиления электрических сигналов и выпрямления переменного тока (диоды) и в качестве фотосопротивления и фотодиодов. Термоэлектрические свойства полупроводников позволяют применять их в качестве термосопротивлений, термоэлементов, термостабилизаторов и при создании солнечных батарей. Магнитные свойства полупроводниковых материалов (окислы металлов переходных групп, соединения металлов с серой, теллуром и селеном) позволяют применять их при изготовлении малогабаритных антенн, транс-  [c.279]

Электрические свойства слюды зависят от содержащихся в ней примесей, что наиболее сильно проявляется при высоких частотах. Особенно вредными являются примеси магнитной окиси железа — магнетита, которая по электрическим параметрам является полупроводником. Примеси часто залегают по плоскостям спайности, что приводит к резкому снижению электрических свойств слюды именно в этом направлении. Вообще, электрические свойства слюды в направлении, перпендикулярном плоскости спайности, значительно выше. Мусковит, как правило, отличается лучшими электроизоляционными свойствами и механическими параметрами и обладает большей упругостью, чем флогопит. Это не исключает, однако, такой возможности, когда сильно пятнистый мусковит обладает худшими электроизоляционными свойствами, чем хороший маложелезистый твердый флогопит.  [c.216]

Настоящая книга написана в полном соответствии с программой курса, утвержденной Минвузом СССР 05.09.74 г., и представляет собой краткое введение в теорию широкого круга явлений, с которыми приходится непосредственно иметь дело конструктору и технологу радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры. Цель книги — помочь читателю понять физическую природу механических, тепловых, магнитных и электрических свойств твердых тел, контактных и — поверхностных явлений в полупроводниках, наиболее широко используемых в современной радиоэлектронике. В книге освещены также термоэлектрические, гальваномагнитные, оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках и механизмы переноса зарядов в тонких пленках. На этих явлениях основана работа широкого класса электронных приборов датчиков температуры, индукции магнитного поля, фотоэлектрических приборов, лазеров, тонкопленочных элементов и т. п.  [c.3]

Таким образом, у поверхности полупроводника существует область, электрические свойства которой оиределяю1Ся не объемными концентрациями примеси, а величиной поверхностного заряда. В этой области концентрация носителей может существенно отличаться от объемной концентрации. Наличие такой области оказывает существенное влияние на многие свойства полупроводника электропроводность, работу выхода, фото-э. д. с. и др., а также на параметры приборов.  [c.244]

По электрическим свойствам все ферриты относятся к полупроводникам. Их применяют для магнитопрово-дов, работающих в слабых и сильных магнитных полях высокой частоты (до 100 МГц), и в импульсном режиме. Кроме радиотехники их также применяют для изготовления магнитных усилителей, сердечников трансформаторов и катушек индуктивности, деталей отклоняющих систем, статоров и роторов высокочастотных двигателей, сердечников быстродействующих реле, термомагнитных компенсаторов и т. д. Возможность применения ферритов в полях высокой частоты определяется главным образом их большим удельным электрическим сопротивлением, благодаря которому реактивное и тепловое действие вихревых токов получается незначительным даже у магнитопрово-дов сплошного сечения. По этой же причине индукция в ферритовых магни-топроводах может иметь даже большую величину, чем в магнитопроводах из  [c.189]

Характер распределения засветки на приведенных фотоснимках устойчиво воспроизводится при многократной записи на одних и тех же образцах при переполировке их поверхностей. Таким образом, наблюдаемые на фотографиях ИК пропускания неоднородности связаны с объемными свойствами вещества. Хорошо известно также, что электрические, фотоэлектрические и прочие свойства полупроводников связаны с макрооднородностью структуры последних. Таким образом, неоднородное распределение засветки на полученных фотоснимках уже само по себе свидетельствует о возможности осуществления контроля качества полупроводниковых материалов рассмотренным методом.  [c.184]

---

Лабораторная работа: «Электрические свойства полупроводников»

Лабораторная   работа:   «Электрические   свойства Тема   занятия:   полупроводников» Вид занятия ­  смешанный. Тип занятия комбинированный. Учебные цели занятия:  определить Задачи занятия:  Образовательная: Определить электрические свойства полупроводников Развивающие. Развивать умение наблюдать, формировать представление о  процессе научного познания. Воспитательная. Развивать познавательный интерес к предмету, вырабатывать  умение слушать и быть услышанным. Планируемые   образовательные   результаты:   способствовать   усилению практической направленности в обучении физики, формировании умений применять полученные знания в различных ситуациях. Личностные:  способствовать эмоциональному восприятию физических  объектов, умению  слушать, ясно и точно излагать свои мысли, развивать   инициативу  и активность  при решении физических задач, формировать умение   работать в группах. Метапредметные:  развивать умение понимать и использовать средства  наглядности (чертежи, модели, схемы). Развитие понимания сущности  алгоритмических предписаний и умений действовать в соответствии с  предлагаемым алгоритмом. Предметные:  овладеть физическим языком, умением распознавать соединения  параллельные и последовательные, умение ориентироваться в электрической  схеме, собирать схемы. Умение обобщать и делать выводы. Ход занятия: 1.   Организация   начала   урока   (отметка   отсутствующих,   проверка   готовности студентов к уроку, ответы на вопросы студентов по домашнему заданию) – 2­5 мин. Преподаватель сообщает учащимся тему урока, формулирует цели урока и  знакомит учащихся с планом урока. Учащиеся записывают тему урока в тетради. Преподаватель создает условия для мотивации учебной деятельности. Освоение нового материала: Теория.    ток   в полупроводниках   не   сопровождается   переносом   вещества   —   никаких химических изменений не происходит. Отсюда следует, что носителями тока в полупроводниках,   как   и   в   металлах,   являются   электроны.   Однако,   между полупроводниками   и   металлами   имеются   и   глубокие   различия.   У   металлов валентные электроны, находящиеся на внешних электронных оболочках, слабо связаны с атомами, легко отделяются от атомов и образуют «электронный газ»,   Экспериментально   установлено,   что   электрический концентрация которого очень велика. В   полупроводниках   валентные   электроны   значительно   сильнее   связаны   с атомами.   Поэтому   концентрация   электронов   проводимости   при   комнатной температуре в полупроводниках незначительна она в миллиарды раз меньше, чем у   металлов   и   удельное   сопротивление   при   низкой   температуре   велико,   оно близко к удельному сопротивлению диэлектриков. При внешнем воздействии на кристаллы полупроводника (освещении его или нагревании   )   некоторые   электроны   приобретают   энергию   достаточную   для разрыва ковалентных связей. Такие электроны становятся свободными ­ то есть электронами проводимости. У того атома, от которого внешним воздействием электрон, был переведен в свободное состояние, появилось вакантное место с не достающим   электроном.   Его   называют   «дыркой».   «Дырка»   ведет   себя   как положительно заряженная частица. Какой­либо из электронов соседних атомов может занять вакантное место, тогда «дырка» образуется в соседнем атоме и так далее,   следовательно   электрический   ток   в   полупроводнике   создается электронами   и   «дырками»,   то   есть   полупроводники   обладают Полупроводниковые   кристаллы   в   которых   электроны   служат   особыми носителями заряда называют электронно­дырочной проводимостью. Свойства полупроводников сильно зависят от содержания примесей. Примеси поставляющие   электроны   проводимости   без   возникновения   равного   им количества   «дырок»   называют  донорными  электронными   полупроводниками, или проводниками n­типа (от «негатив» ­ отрицательный). Примеси,   захватывающие   электроны   и   создающие   тем   самым   подвижные «дырки», не увеличивая при этом числа электронов, называют акцепторными. Такие   полупроводники,   у   которых   концентрация   «дырок»   превышает концентрацию электронов проводимости, называют полупроводниками  р­типа (от «позитив» ­ положительный), или дырочными полупроводниками. Основным   свойством   полупроводников   оказалось   свойство односторонней проводимости   так   называемого  р­n­перехода,   то   есть   контакта   двух полупроводниковых кристаллов различного типа проводимостей. Приборы   и   принадлежности:  источник   тока   4В,   миллиамперметр   0,3   ­   750мА, вольтметр 0 ­ 6 В, диод Д­226, потенциометр на 100 кОм, ключ, транзистор П401, соединительные провода.  Допуск к лабораторной работе № 10 1. Почему с повышением температуры полупроводников их сопротивление уменьшается? A Уменьшается концентрация свободных носителей зарядов. Б.Увеличивается концентрация свободных носителей зарядов. B. Увеличивается скорость электронов. 2. В четырехвалентный кремний в качестве примеси вводят трехвалентный индий. Каким будет  основной ток в кремнии? A. Электронный.   Б. Дырочный. B. Электронно­дырочный. 3.  Как меняется сопротивление примесных полупроводником при увеличении температуры? A. Увеличивается.   Б. Уменьшается.   B. Не меняется. 4. Будет ли кремний сверхпроводящим, если его охладить до температуры близкой к  абсолютному нулю?                     A. Нет.  Б. Да.  B. Да, если охладить в магнитном поле. 5. В четырехвалентный германий в качестве примеси вводят пятивалентный мышьяк. Каким  будет основной ток в германии? A. Электронный.  Б. Дырочный.  B. Электронно­дырочный. 6. Проводник с акцепторной проводимостью поместили в электрическое поле. При этом  основными носителями являются:  A. Электроны;   Б. Дырки;   B. Электроны и дырки. 7. Представлены три варианта включения полупроводниковых диодов в цепь с одним и тем же  источником тока. В каком случае сила тока максимальна 1. 2. 3. А. 1;  Б. 2;   В. 3 8. Чистый полупроводник поместили в электрическое поле. При этом в первой половине  собрались электроны, во второй половине дырки. Затем полупроводник разделили пополам  Какая часть тяжелее                    А.1;            Б. Равны;          В. 2 9. Что происходит при слиянии электрона и дырки A. Образуется нейтральный атом.    Б.Образуется отрицательный ион, энергия выделяется  .    B. Образуется нейтральный атом, энергия выделяется.. 10. Энергии, необходимые для образования электронов проводимости в германии и кремнии,  равны соответственно 1,12 • 10 ­19 Дж и 1,76 • 10 ­19. В каком из этих полупроводников при данной температуре будет больше концентрация свободных электронов проводимости? A. В германии. Б. В кремнии. B. Равны. Порядок проведения работы: 1.      Проверка   односторонней   проводимости   диода   и   снятие   вольтамперной характеристики. 1.1. Составить цепь по схеме, изображённой на стенде; 1.2.  Включить диод в прямом направлении, замкнуть цепь, отметить величину тока. Поменяв направление диода, убедиться в отсутствии тока в цепи; 1.3.  Диод   снова   включить   в   прямом   направлении   и   установить   потенциометром напряжение, при котором ток будет равен нулю; 1.4.  Затем, перемещая ползунок потенциометра постепенно увеличить напряжение на 0,2  В  и   каждый   раз   отмечать   значение   тока   в  цепи.  При   этом   диапазон   измерений миллиамперметра изменять по мере возрастания тока от 30 мА до 750 мА; 1.5.  Результаты измерений занести в таблицу 1.1.;  1.6.  Построить график зависимости прямого тока от напряжения.  Таблица 1.1. I — постоянный ток (мА) №.\№ 1 2 3 4 5 6  U­ напряжение (В) 0 1 0,2 0,4 0,6 0,8 1 6 2 3 4 5 2.    Проверка наличия р­n переходов в транзисторе. 2.1. Установить с помощью потенциометра 2 В. 2.2. Проверить первый р­n переход эмиттер­база, для чего: а) подключить в гнёзда диода на стенде клемму транзистора «Э» к «+», а клемму «Б» к «­», включить цепь, б) поменяв местами клеммы «Э» и «Б», убедиться в отсутствии тока. 2.3. Проверить наличие второго р­n перехода коллектор­база, для чего: а) клемму «К» подключить к «+», а клемму «Б» к «­», включить, б) поменяв местами клеммы «К» и «Б», убедиться в отсутствии тока. 2.4. По результатам проверки пункта 2 сделать соответствующий вывод.  3.   Сделать вывод о проделанной работе. 4.   Ответить на контрольные  вопросы. Контрольные вопросы: 1. В чём различие проводимости проводников и полупроводников? 2.  Как   объяснить   уменьшение   сопротивления   полупроводников   при   возрастании температуры? 3. Из чего состоит полупроводниковый диод и транзистор и их условное обозначение? 4. Что показывает вольтамперная характеристика диода? 5. Составить электрическую схему включения транзистора с общим эмиттером Домашнее задание:  Доклад:  Принцип работы МГД – генератора.  Использование полупроводниковых приборов.

Лабораторная работа «Изучение электрических свойств полупроводникового диода»

Лабораторная работа № 11

Тема : Изучение электрических свойств полупроводникового диода.

Цель работы: Опытным путем изучить электрические свойства полупроводникового диода, научиться строить вольтамперную характеристику диода.

Приборы и материалы : Источник тока, амперметр, вольтметр, полупроводниковый диод, реостат, соединительные провода, миллиметровая бумага.

Теория

Полупроводниками назвали класс веществ, у которых с повышением температуры увеличивается проводимость, уменьшается электрическое сопротивление. Полупроводники обладают промежуточными свойствами между проводниками и диэлектриками.

К полупроводникам относятся такие химические элементы, как германий, кремний, селен и многие другие твердые вещества, обладающие кристаллическим строением, окислы металлов, сернистые соединения и соединения селена.

Основным свойством полупроводников является изменение их электропроводности под действием температуры, света, давления и при наличии незначительных примесей.

Рассмотрим строение типичного полупроводника – кремния.

На внешней (валентной) оболочке кремния имеется 4 электрона, которые могут использоваться для образования связей с четырьмя соседними атомами (рис. 1). Такие связи называются парноэлектронными или ковалентными. В образовании этой связи от каждого атома участвует по одному валентному электрону, которые отщепляют от атомов и при своем движении большую часть времени проводят в пространстве между соседними атомами (Рис2).

С ростом температуры и освещенности кинетическая энергия валентных электронов повышается, эти связи могут разрушаться, образуя свободный электрон и «дырку». “Дырке” условно приписывается положительный заряд В электрическом поле они перемещаются между узлами решетки, образуя электрический ток(рис.3)

Рис1. Рис 2 . Рис.3

В чистых полупроводниках концентрация свободных электронов и “дырок” одинаковы. Электронно-дырочная проводимость называется собственной проводимостью.

Примесная проводимость – проводимость, обусловленная образованием свободных носителей заряда при внесении примесей иной валентности.

Донорная примесь. Оказывается, что при наличии примесей, например атомов мышьяка, даже при очень малой их концентрации, число свободных электронов возрастает во много раз. Атомы мышьяка имеют пять  валентных электронов, четыре из них участвуют в создании ковалентной связи данного атома с окружающими, например с атомами германия. Пятый валентный электрон оказывается слабо связан с атомом, легко покидает атом мышьяка и становится свободным. Концентрация  свободных  электронов значительно возрастает.. Примеси, легко отдающие электроны называют донорными , и являются полупроводниками n-типа(от слова negative – отрицательный) . В полупроводнике n-типа электроны являются основными носителями заряда, а дырки – не основными.

Рис 2. Рис 3.

 Акцепторные примеси. Если в качестве примеси использовать индий, атомы которого трехвалентны, то характер проводимости полупроводника меняется. Теперь для образования нормальных парно-электронных связей с соседями атому индия не достает электрона. В результате образуется дырка. Число дырок в кристалле равно числу атомов примеси. Такого рода примеси называют акцепторными  (принимающими).  При наличии электрического поля дырки перемешаются  по полю и возникает дырочная проводимость(Рис3.) Полупроводники с преобладанием дырочкой проводимости над электронной  называют  полупроводниками  р-типа (от слова positive — положительный).

Электронно-дырочный переход

Область на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности называется электронно-дырочным или р-n  переходом.

Этот переход не удастся получить путем механического соединения двух полупроводников различных типов, т.к. при этом получается слишком большой зазор между полупроводниками. Поэтому в одну из поверхностей образца вплавляют индий. Вследствие диффузии атомов индия в глубь монокристалла германия у поверхности германия преобразуется область с проводимостью р-типа. Между областями возникает p-n переход, который обладает свойством односторонней проводимости: если к р-области подключить «+» источника тока, а к n-области “-“ источника тока, р-n-переход будет проводить электрический ток за счет основных носителей заряда. Электроны из области n пойдут в р-область, а «дырки» из р-области в n-область. В случае обратного подключения ток образован неосновными подвижными носителями заряда р- и n-областей, концентрация которых очень мала по сравнению с концентрацией основных носителей, то обратный ток оказывается значительно меньше прямого тока и очень мало зависит от обратного напряжения ( рис4). Электронно-дырочный переход представляет собой полупроводниковый диод, обладающий способность n–p-перехода пропускать ток практически только в одном направлении. Полупроводниковые диоды изготовляют из германия, кремния. селена и других веществ. В электрической схеме диод обозначается символом

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

Электронно-дырочный переход представляет собой полупроводниковый диод, обладающий способность n–p-перехода пропускать ток практически только в одном направлении. Полупроводниковые диоды изготовляют из германия, кремния. селена и других веществ. . Полупроводниковый диод применяется для выпрямления переменного тока.

Контрольные вопросы :

1. Какие элементы таблицы Менделеева являются наиболее типичными представителями полупроводников.

2. Назовите основное свойство полупроводников.

3. При каком условии полупроводники становятся хорошими диэлектриками?

4. Какие явления происходят в полупроводнике при повышении температуры?

5. Какая проводимость называется собственной?

6. Какие частицы являются основными носителями заряда в полупроводниках с донорными примесями? Какова причина их возникновения?

7. Какие частицы являются основными носителями заряда в полупроводнике с акцепторными примесями. Какова причина их возникновения.

8. Почему электронно-дырочный  переход нельзя получить механическим соединением полупроводников р и n типов

9. Каким свойством обладает р-n переход?

10. Что такое полупроводниковый диод?

Ход выполнения работы :

А)Проверка односторонней проводимости полупроводникового диода.

1. Составьте электрическую цепь по схеме, изображенной на рис. 5

рис 5

2. Диод включите в прямом (пропускном) направлении. Замкните цепь и запишите показания амперметра. I =

3. Цепь разомкните Диод включить в обратном направлении. Цепь замкните и убедитесь в отсутствии тока в цепи. Цепь разомкните.

4. По результатам наблюдений сделайте выводы.

Б) Снятие вольтамперной характеристики диода.

1 . Диод включите в прямом направлении. Замкните цепь. Подберите положение реостата так, чтобы вольтметр показал самое малое напряжение. Запишите показания вольтметра и амперметра в нижеприведенную таблицу .

2. Постепенно перемещайте движок реостата и снимите показания не менее пяти значений напряжения и силы тока. Цепь разомкните .

3. Результаты измерений запишите в таблицу.

Напряжение U ,В

Сила тока I ,А

1.

2.

3.

4.

5.

1.

2.

3.

4.

5.

4. Изобразите график зависимости силы тока от напряжения.

I,А

U,В

5.Объясните полученные результаты.

6.Сдайте лабораторное оборудование, приведите рабочее место в порядок.

7. Решите контрольную задачу.

8. Сдайте работу преподавателю.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ | Техника и Программы

В электротехнике все вещества разделяются по их способности пропускать электрический ток на три группы: проводники, полупроводники и изоляторы.

Проводники — это вещества, которые хорошо проводят электрический ток, т. е. оказывают ему малое сопротивление. К ним относятся металлы и их сплавы, поэтому металлы и применяют в электрических цепях для передачи тока.

Изоляторами называются вещества, которые оказывают прохождению тока очень большое сопротивление. Чем больше сопротивление, тем выше качество изолятора. К изоляторам относятся такие вещества, как воздух, резина, слюда, стекло, эбонит, фарфор и т. д.

Полупроводники занимают промежуточное положение, т. е. они проводят ток хуже, чем проводники, но лучше, чем изоляторы. К полупроводникам относится 80% всех компонентов земной коры: большинство минералов, окислы и т. д. В полупроводниковых диодах, триодах и других радиотехнических устройствах используются в основном два полупроводника: германий и кремний.

Если вырезать из различных материалов брусок, имеющий площадь поперечного сечения 1 см² и длину 1 х, то его сопротивление будет: для проводника от 0,01 до 0,001 ом\ для изолятора от 10¹² ом и выше; для полупроводника от 1 000 до 10¹² ом.

Чтобы разобраться в явлениях, происходящих в полупроводниковых приборах, рассмотрим кратко и, конечно, упрощенно строение атома вещества и физику прохождения тока через вещества.

Каждый атом любого вещества состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого по замкнутым орбитам с громадными скоростями вращаются отрицательно заряженные электроны. Для каждого элемента характерно свое расположение электронов вокруг ядра.

Самый простой по устройству — атом водорода. Его электронная оболочка имеет всего один электрон. Атом углерода, например, имеет 6 электронов, кислорода — 8, германия — 32, урана — 92.

Электроны вращаются на разных расстояниях от ядра и их орбиты составляют как бы ряд вставленных одна в другую оболочек, причем в каждом ряду может находиться вполне определенное число электронов. Поскольку ядро и электроны имеют заряды разных знаков, то ядро удерживает около себя электроны силой электростатического притяжения. При этом чем дальше электрон находится от ядра, тем слабее сила притяжения между ним и ядром.

Основное отличие атомов металлов от атомов полупроводников состоит в том, что электроны на внешних орбитах металла очень слабо связаны с ядром. Поэтому в металле всегда имеется большое число электронов, оторвавшихся от своих ядер. Эти электроны называются свободными электронами, или электронным газом. При этом атомы, потерявшие электрон или несколько электронов, оказываются заряженными положительно, а атомы, присоединившие к себе свободные электроны,— отрицательно.

В полупроводниках и изоляторах благодаря сильной связи электронов атома с ядром нет свободных электронов, которые могли бы перемещаться в определенном направлении, создавая электрический ток.

В абсолютно чистом полупроводнике при очень низких температурах электроны прочно Удерживаются на своих орбитах, свободных электронов, способных создавать электрический ток, нет. Поэтому в этих условиях полупроводник совершенно не проводит электрического тока и является изолятором.

При повышении температуры благодаря тепловому движению некоторые электроны могут вырваться о внешних оболочек и перемещаться внутри полупроводника. Чем выше температура, тем больше количество освобожденных электронов, способных перемещаться в полупроводнике, тем больше проводимость и меньше сопротивление полупроводника. Проводимость, обусловленная наличием свободных электронов, называется электронной проводимостью.

В электронных оболочках атомов, потерявших электроны, остается как бы пустое место. Это освободившееся место назвали условно «дыркой», которая имеет положительный заряд.

Дырка может быть занята каким-либо электроном, вырванным из оболочки другого атома. При этом этот электрон, в свою очередь, оставляет в том атоме, из которого он вырван, дырку. Пока нет внешнего электрического поля, переходы электронов от одного атома к другому, а следовательно и движение дырок совершаются беспорядочно.

Если же к полупроводнику приложить электрическое напряжение, то переход от одного атома к другому будет происходить направленно: электронов — к положительному полюсу напряжения, положительных дырок— к минусу. Хорошей иллюстрацией картины таких перемещений может служить перемещение солдат в строю (рис. 56), при этом движение дырки подобно заполнению пустого места в строю. Таким образом, в полупроводнике электрический ток создается не только свободными электронами, но и перемещением положительных зарядов — дырок, т, е, имеется и дырочная проводимость.

Совершенно очевидно, что в рассмотренном примере, т. е. в химически чистом полупроводнике, количество вырванных электронов равно количеству дырок. При этом электропроводимость полупроводника, которая называется собственной, невелика.

Рис. 56. Движение «дырки» подобно перемещению пустого места в строю солдат

Проводимость полупроводника можно значительно улучшить путем добавления в него специально подобранных примесей. Если атом примеси имеет большее число электронов, чем нужно для образования связей с атомами полупроводника, то в полупроводнике по-, явятся свободные электроны. В результате в полупроводнике будет преобладать электронная проводимость, или проводимость типа п (от слова «negative», т. е. отрицательный).

Если же атомы примеси имеют меньшее количество электронов, чем это нужно для образования связей с окружающими его атомами полупроводника, то атомы

примеси легко захватывают электроны от соседних атомов, что приводит к образованию большого количества дырок. Полупроводник в этом случае имеет дырочную проводимость, или проводимость типа р (от слова «positive», т. е. положительный).

Любой полупроводник по желанию путем добавления в него тех или иных примесей можно сделать полупроводником типа п или р. Вводя примеси, можно даже в смежных участках одного и того же полупроводника получить электропроводимости разного типа. Интересно отметить, что для получения необходимой для использования в радиотехнике приборов величины электропроводимости достаточно на 10 миллионов атомов основного вещества добавить один атом примеси.

В заключение отметим одно из существенных отличий полупроводников от проводников. У проводников сопротивление с повышением температуры возрастает, а у полупроводников уменьшается,

Полупроводник — HiSoUR История культуры

Полупроводниковый материал имеет значение электропроводности, падающее между электродом проводника, таким как медь, золото и т. Д., И изолятором, таким как стекло. Их сопротивление уменьшается по мере увеличения их температуры, что является поведением, противоположным поведению металла. Их проводящие свойства могут быть изменены полезными способами путем преднамеренного контролируемого введения примесей («легирования») в кристаллическую структуру. В тех случаях, когда в одном и том же кристалле существуют две области, легированные допированием, создается полупроводниковый переход. Поведение носителей заряда, которые включают электроны, ионы и электронные дыры на этих переходах, является основой диодов, транзисторов и всей современной электроники.

Полупроводниковые приборы могут отображать ряд полезных свойств, таких как пропускание тока более легко в одном направлении, чем другое, с указанием переменного сопротивления и чувствительности к свету или теплу. Поскольку электрические свойства полупроводникового материала могут быть модифицированы путем легирования или путем применения электрических полей или света, устройства, изготовленные из полупроводников, могут использоваться для усиления, переключения и преобразования энергии.

Проводимость кремния увеличивается за счет добавления небольшого количества пятивалентных (сурьмы, фосфора или мышьяка) или трехвалентных (бор, галлий, индий) атомов (часть 108). Этот процесс известен как легирование, и полученные полупроводники известны как легированные или внешние полупроводники.

Современное понимание свойств полупроводника опирается на квантовую физику для объяснения движения носителей заряда в кристаллической решетке. Допинг значительно увеличивает количество носителей заряда в кристалле. Когда легированный полупроводник содержит в основном свободные дырки, он называется «р-типом», а когда он содержит в основном свободные электроны, он известен как «n-тип». Полупроводниковые материалы, используемые в электронных устройствах, легируются в точных условиях для контроля концентрации и областей примесей p- и n-типа. Один полупроводниковый кристалл может иметь много p- и n-типов областей; p-n-переходы между этими областями отвечают за полезное электронное поведение.

Хотя некоторые чистые элементы и многие соединения обладают полупроводниковыми свойствами, кремний, [лучший источник] германий, а соединения галлия наиболее широко используются в электронных устройствах. Элементы вблизи так называемой «металлоидной лестницы», где металлоиды расположены на периодической таблице, обычно используются в качестве полупроводников.

Некоторые свойства полупроводниковых материалов наблюдались в течение середины 19-го и первых десятилетий 20-го века. Первым практическим применением полупроводников в электронике было создание в 1984 году детектора кошачьего вискера, примитивного полупроводникового диода, широко используемого в ранних радиоприемниках. Развитие квантовой физики в свою очередь позволило разработать транзистор в 1947 году и интегральную схему в 1958 году.

свойства

Переменная проводимость
Полупроводники в своем естественном состоянии являются плохими проводниками, потому что ток требует потока электронов, а полупроводники имеют заполненные валентные полосы, что препятствует входному потоку новых электронов. Существует несколько разработанных методов, позволяющих полупроводниковым материалам вести себя как проводящие материалы, такие как легирование или стробирование. Эти модификации имеют два результата: n-тип и p-тип. Они относятся к избытку или нехватке электронов, соответственно. Несбалансированное количество электронов приведет к протеканию тока через материал.

Гетеропереходы
Гетеропереходы возникают, когда два по-разному легированных полупроводниковых материала соединены вместе. Например, конфигурация может состоять из p-допированного и n-легированного германия. Это приводит к обмену электронами и дырками между по-разному легированными полупроводниковыми материалами. N-легированный германий будет иметь избыток электронов, а p-легированный германий будет иметь избыток дырок. Передача происходит до тех пор, пока равновесие не достигнет процесса, называемого рекомбинацией, что приводит к тому, что мигрирующие электроны из n-типа соприкасаются с мигрирующими отверстиями из р-типа. Продуктом этого процесса являются заряженные ионы, которые приводят к электрическому полю.

Возбужденные электроны
Разница в электрическом потенциале на полупроводниковом материале привела бы к тому, что он оставит тепловое равновесие и создаст неравновесную ситуацию. Это вводит электроны и дырки в систему, которые взаимодействуют через процесс, называемый амбиполярной диффузией. Когда тепловое равновесие нарушается в полупроводниковом материале, число дырок и электронов изменяется. Такие нарушения могут возникать в результате разности температур или фотонов, которые могут войти в систему и создать электроны и дырки. Процесс, который создает и уничтожает электроны и дырки, называется генерацией и рекомбинацией.

Светоизлучение
В некоторых полупроводниках возбужденные электроны могут расслабиться, испуская свет вместо того, чтобы выделять тепло. Эти полупроводники используются при построении светоизлучающих диодов и флуоресцирующих квантовых точек.

Преобразование тепловой энергии
Полупроводники имеют большие термоэлектрические коэффициенты мощности, что делает их полезными в термоэлектрических генераторах, а также высокие термоэлектрические показатели достоинства, что делает их полезными в термоэлектрических охладителях.

материалы
Большое количество элементов и соединений обладает полупроводниковыми свойствами, в том числе:

Некоторые чистые элементы находятся в группе 14 периодической таблицы; наиболее коммерчески важными из этих элементов являются кремний и германий. Здесь эффективно используются кремний и германий, поскольку они имеют 4 валентных электрона в своей внешней оболочке, что дает им возможность одновременно получать или потерять электроны.
Бинарные соединения, особенно между элементами в группах 13 и 15, такими как арсенид галлия, группы 12 и 16, группы 14 и 16 и между различными элементами группы 14, например карбидом кремния.
Некоторые тройные соединения, оксиды и сплавы.
Органические полупроводники, изготовленные из органических соединений.

Наиболее распространенными полупроводниковыми материалами являются кристаллические твердые вещества, но также известны аморфные и жидкие полупроводники. К ним относятся гидрированный аморфный кремний и смеси мышьяка, селена и теллура в различных пропорциях. Эти соединения разделяют с более известными полупроводниками свойства промежуточной проводимости и быстрое изменение проводимости с температурой, а также случайное отрицательное сопротивление. Такие неупорядоченные материалы не имеют жесткой кристаллической структуры обычных полупроводников, таких как кремний. Они обычно используются в тонкопленочных структурах, которые не требуют материала с более высоким электронным качеством, относительно нечувствительного к примесям и радиационным повреждениям.

Подготовка полупроводниковых материалов
Практически во всех современных электронных технологиях используются полупроводники, наиболее важным аспектом которых является интегральная схема (IC), которая находится в ноутбуках, сканерах, сотовых телефонах и т. Д. Полупроводники для ИС выпускаются серийно. Чтобы создать идеальный полупроводниковый материал, химическая чистота имеет первостепенное значение. Любое небольшое несовершенство может оказать существенное влияние на то, как ведет себя полупроводниковый материал из-за масштаба, на котором используются материалы.

Также требуется высокая степень кристаллического совершенства, поскольку дефекты в кристаллической структуре (такие как дислокации, двойники и дефекты штабелирования) мешают полупроводниковым свойствам материала. Кристаллические неисправности являются основной причиной дефектных полупроводниковых приборов. Чем больше кристалл, тем труднее достичь необходимого совершенства. В современных процессах массового производства используются кристаллические слитки диаметром от 100 до 300 мм (3,9 и 11,8 дюйма), которые выращиваются в виде цилиндров и нарезаются в вафли.

Существует комбинация процессов, которые используются для получения полупроводниковых материалов для ИС. Один процесс называется термическим окислением, которое образует диоксид кремния на поверхности кремния. Это используется в качестве изолятора затвора и оксида. Другие процессы называются фотомасками и фотолитографией. Этот процесс является тем, что создает шаблоны в цикле в интегральной схеме. Ультрафиолетовый свет используется вместе с слоем фоторезиста для создания химического изменения, которое генерирует схемы для схемы.

Травление — это следующий процесс, который требуется. Часть кремния, которая не была покрыта слоем фоторезиста с предыдущего этапа, теперь может быть вытравлена. Основной процесс, который обычно используется сегодня, называется плазменным травлением. Плазмовое травление обычно включает травильный газ, закачиваемый в камеру низкого давления для создания плазмы. Общим травильным газом является хлорфторуглерод или более известный фреон. Высокое радиочастотное напряжение между катодом и анодом создает плазму в камере. Силиконовая пластина расположена на катоде, что приводит к ее удару положительно заряженными ионами, которые высвобождаются из плазмы. Конечным результатом является кремний, который протравлен анизотропно.

Последний процесс называется диффузией. Это тот процесс, который дает полупроводниковому материалу требуемые полупроводниковые свойства. Он также известен как допинг. Этот процесс вводит в систему нечистый атом, который создает pn-переход. Чтобы получить нечистые атомы, внедренные в кремниевую пластину, пластину сначала помещают в камеру размером 1100 градусов Цельсия. Атомы впрыскиваются и в конечном итоге диффундируют с кремнием. После того, как процесс завершен, и кремний достиг комнатной температуры, процесс легирования осуществляется, и полупроводниковый материал готов к использованию в интегральной схеме.

Физика полупроводников

Энергетические полосы и электропроводность
Полупроводники определяются их уникальным электропроводящим поведением, где-то между проводником и изолятором. Различия между этими материалами можно понять с точки зрения квантовых состояний для электронов, каждый из которых может содержать нуль или один электрон (по принципу исключения Паули). Эти состояния связаны с электронной зонной структурой материала. Электропроводность возникает из-за присутствия электронов в состояниях, которые делокализуются (распространяются через материал), однако для транспортировки электронов состояние должно быть частично заполнено, содержащее электрон только часть времени. Если состояние всегда занято электроном, то оно инертно, блокируя прохождение других электронов через это состояние. Энергии этих квантовых состояний являются критическими, так как состояние частично заполняется, только если его энергия находится вблизи уровня Ферми (см. Статистику Ферми-Дирака).

Высокая проводимость в материале исходит из того, что он имеет много частично заполненных состояний и большую делокализацию состояния. Металлы — хорошие электрические проводники и имеют много частично заполненных состояний с энергией вблизи их уровня Ферми. Напротив, изоляторы имеют несколько частично заполненных состояний, их уровни Ферми находятся в пределах полос пробелов с несколькими энергетическими состояниями. Важно отметить, что изолятор можно проводить, увеличивая его температуру: нагрев обеспечивает энергию для продвижения некоторых электронов по запрещенной зоне, индуцируя частично заполненные состояния как в полосе состояний под запрещенной зоной (валентной зоной), так и в полосе состояний выше полоса пропускания (зона проводимости). (Собственный) полупроводник имеет ширину запрещенной зоны, которая меньше, чем ширина изолятора, и при комнатной температуре значительное число электронов может возбуждаться для пересечения запрещенной зоны.

Чистый полупроводник, однако, не очень полезен, так как он не является ни очень хорошим изолятором, ни очень хорошим проводником. Однако одной важной особенностью полупроводников (и некоторых изоляторов, известных как полуизоляторы) является то, что их проводимость может быть увеличена и контролироваться путем легирования примесями и стробированием электрическими полями. Допинг и стробирование перемещают либо зону проводимости, либо валентную зону, значительно приближенную к уровню Ферми, и значительно увеличивают количество частично заполненных состояний.

Некоторые полупроводниковые материалы с более широкой полосой иногда называют полуизоляторами. Когда они нелегированы, они имеют электрическую проводимость ближе к электрическим изоляторам, однако они могут быть легированы (что делает их полезными как полупроводники). Полу-изоляторы находят нишевые приложения в микроэлектронике, такие как подложки для HEMT. Примером общего полуизолятора является арсенид галлия. Некоторые материалы, такие как диоксид титана, могут даже использоваться в качестве изоляционных материалов для некоторых применений, будучи обработанными как широкозонные полупроводники для других применений.

Носители заряда (электроны и дырки)
Частичное заполнение состояний на дне зоны проводимости можно понимать как добавление электронов к этой полосе. Электроны не остаются бесконечно (из-за естественной тепловой рекомбинации), но они могут перемещаться в течение некоторого времени. Фактическая концентрация электронов обычно очень разбавлена, и поэтому (в отличие от металлов) можно представить электроны в зоне проводимости полупроводника как своего рода классический идеальный газ, где электроны свободно летают, не подвергая принцип исключения Паули. В большинстве полупроводников полосы проводимости имеют параболическое дисперсионное соотношение, и поэтому эти электроны реагируют на силы (электрическое поле, магнитное поле и т. Д.) Так же, как в вакууме, но с другой эффективной массой. Поскольку электроны ведут себя как идеальный газ, можно также думать о проводимости в очень упрощенных терминах, таких как модель Друде, и вводить такие понятия, как электронная подвижность.

Для частичного заполнения в верхней части валентной зоны полезно ввести понятие электронного дырки. Хотя электроны в валентной зоне всегда движутся, полностью полная валентная зона является инертной, не проводя никакого тока. Если электрон выведен из валентной зоны, то траектория, которую обычно проводил электрон, теперь не имеет своего заряда. В целях электрического тока эта комбинация полной валентной зоны, минус электрона, может быть преобразована в картину полностью пустой полосы, содержащей положительно заряженную частицу, которая движется так же, как электрон. В сочетании с отрицательной эффективной массой электронов в верхней части валентной зоны мы приходим к картине положительно заряженной частицы, которая реагирует на электрические и магнитные поля так же, как нормальная заряженная частица будет делать в вакууме, снова с некоторым положительным эффективная масса. Эта частица называется дырой, а набор дырок в валентной зоне может быть снова понят в простых классических терминах (как и для электронов в зоне проводимости).

Генерация и рекомбинация несущей
Когда ионизирующее излучение поражает полупроводник, оно может возбуждать электрон из своего энергетического уровня и, следовательно, покидать дырку. Этот процесс известен как генерация электронно-дырочных пар. Электронно-дырочные пары постоянно генерируются из тепловой энергии, в отсутствие какого-либо внешнего источника энергии.

Электронно-дырочные пары также склонны к рекомбинации. Сохранение энергии требует, чтобы эти события рекомбинации, в которых электрон теряет количество энергии, большую ширины запрещенной зоны, сопровождаются испусканием тепловой энергии (в виде фононов) или излучением (в виде фотонов).

В некоторых состояниях генерация и рекомбинация электронно-дырочных пар находятся в равновесии. Число электронно-дырочных пар в установившемся состоянии при данной температуре определяется квантовой статистической механикой. Точные квантовомеханические механизмы генерации и рекомбинации определяются сохранением энергии и сохранением импульса.

Поскольку вероятность того, что электроны и дырки совпадают, пропорциональна произведению их чисел, произведение находится в стационарном состоянии, почти постоянном при данной температуре, при условии, что нет значительного электрического поля (которое может «смывать» носители обоих типов, или перемещать их из соседних областей, содержащих больше их, чтобы встречаться вместе) или генерация пары с внешней стороны. Продукт зависит от температуры, так как вероятность получения достаточной тепловой энергии для получения пары возрастает с температурой, приблизительно равной exp (-EG / kT), где k — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура, а EG — запрещенная зона ,

Вероятность встречи увеличивается за счет ловушек-носителей или дислокаций, которые могут захватывать электрон или дыру и удерживать ее до тех пор, пока пара не будет завершена. Такие несущие ловушки иногда специально добавляются, чтобы сократить время, необходимое для достижения устойчивого состояния.

Легирование
Проводимость полупроводников может быть легко изменена путем введения примесей в их кристаллическую решетку. Процесс добавления контролируемых примесей в полупроводник известен как легирование. Количество примеси или легирующей добавки, добавленной к внутреннему (чистому) полупроводнику, меняет свой уровень проводимости. Допированные полупроводники называются внешними. Путем добавления примеси к чистым полупроводникам электропроводность может варьироваться в тысячах или миллионах.

Образец 1 см3 металла или полупроводника имеет порядок 1022 атомов. В металле каждый атом жертвует по меньшей мере один свободный электрон для проведения, поэтому 1 см3 металла содержит порядка 1022 свободных электронов, тогда как образец чистого германия 1 см3 при 20 ° С содержит около 4,2 × 1022 атомов, но только 2,5 × 1013 свободных электронов и 2,5 × 1013 дырок. Добавление 0,001% мышьяка (примеси) дает еще 1017 свободных электронов в том же объеме, а электропроводность увеличивается в 10 000 раз.

Материалы, выбранные в качестве подходящих легирующих примесей, зависят от атомных свойств как легирующей примеси, так и материала, подлежащего легированию. Как правило, присадки, которые производят желаемые контролируемые изменения, классифицируются как акцепторы электронов или доноры. Полупроводники, легированные донорскими примесями, называются n-типом, а те, которые легированы акцепторными примесями, известны как p-тип. Обозначения типа n и p указывают, какой носитель заряда выступает в качестве основного носителя материала. Противоположный носитель называется неосновным носителем, который существует из-за теплового возбуждения при гораздо меньшей концентрации по сравнению с основным носителем.

Например, чистый полупроводниковый кремний имеет четыре валентных электрона, связывающих каждый атом кремния со своими соседями. В кремнии наиболее распространенными присадками являются элементы группы III и группы V. Элементы группы III содержат три валентных электрона, заставляя их функционировать как акцепторы при использовании для легирования кремния. Когда акцепторный атом заменяет атом кремния в кристалле, создается вакантное состояние («дыра» электрона), которое может перемещаться вокруг решетки и функционировать как носитель заряда. Элементы группы V имеют пять валентных электронов, что позволяет им действовать как донор; замена этих атомов на кремний создает дополнительный свободный электрон. Поэтому кристалл кремния, легированный бором, создает полупроводник p-типа, тогда как один из легированных фосфором материалов приводит к образованию n-типа.

Во время производства присадки могут диффундировать в полупроводниковый корпус при контакте с газообразными соединениями желаемого элемента, или ионная имплантация может использоваться для точного позиционирования легированных областей.

Ранняя история полупроводников
История понимания полупроводников начинается с экспериментов по электрическим свойствам материалов. Свойства отрицательного температурного коэффициента сопротивления, выпрямления и светочувствительности наблюдались начиная с начала 19 века.

Томас Иоганн Зеебек первым заметил эффект, вызванный полупроводниками, в 1821 году. В 1833 году Майкл Фарадей сообщил, что сопротивление образцов сульфида серебра уменьшается, когда они нагреваются. Это противоречит поведению металлических веществ, таких как медь. В 1839 году Александр Эдмонд Беккерел сообщил об обнаружении напряжения между твердым и жидким электролитом при ударе света, фотогальваническим эффектом. В 1873 году Уиллоуби Смит заметил, что селеновые резисторы демонстрируют снижение сопротивления, когда на них падает свет. В 1874 году Карл Фердинанд Браун наблюдал проводимость и ректификацию в металлических сульфидах, хотя этот эффект был обнаружен намного раньше Питером Мунком и Розеншолдом (sv), который писал для Annalen der Physik und Chemie в 1835 году, и Артур Шустер обнаружил, что слой оксида меди на провода имеют ректификационные свойства, которые прекращаются при чистке проводов. Уильям Гриллс Адамс и Ричард Эванс отмечали фотогальванический эффект в селене в 1876 году.

Единому объяснению этих явлений требовалась теория физики твердого тела, которая значительно развивалась в первой половине 20-го века. В 1878 году Эдвин Герберт Холл продемонстрировал отклонение плавных носителей заряда приложенным магнитным полем — эффектом Холла. Открытие электрона Дж. Дж. Томсоном в 1897 г. побудило теории электроносной проводимости в твердых телах. Карл Baedeker, наблюдая эффект Холла с обратным знаком, что в металлах, предположил, что йодид меди имеет положительные носители заряда. Йохан Кенигсбергер классифицировал твердые материалы как металлы, изоляторы и «переменные проводники» в 1914 году, хотя его ученик Йозеф Вайс уже в 1910 году представил термин «Halbleiter» (полупроводник в современном значении) в диссертации. Феликс Блох опубликовал теорию движения электронов через атомную решетки в 1928 году. В 1930 году Б.Гудден заявил, что проводимость в полупроводниках обусловлена ​​незначительными концентрациями примесей. К 1931 году зонная теория проводимости была установлена ​​Аланом Херрисом Уилсоном, и была разработана концепция полосовых разрывов. Уолтер Х. Шоттки и Невилль Фрэнсис Мотт разработали модели потенциального барьера и характеристик соединения металл-полупроводник. К 1938 году Борис Давыдов разработал теорию медно-оксидного выпрямителя, идентифицируя влияние p-n-перехода и важность неосновных носителей и поверхностных состояний.

Согласование теоретических предсказаний (основанных на развитии квантовой механики) и экспериментальных результатов иногда было низким. Позднее это объяснил Джон Бардин из-за экстремального «структурно-чувствительного» поведения полупроводников, свойства которого резко меняются на основе крошечных количеств примесей. Коммерчески чистые материалы 1920-х годов, содержащие различные пропорции следовых загрязнителей, дали разные экспериментальные результаты. Это стимулировало разработку усовершенствованных технологий переработки материалов, кульминацией которых стали современные полупроводниковые нефтеперерабатывающие заводы, производящие материалы с чистотой деталей на триллион.

Приборы, основанные на полупроводниках, сначала были построены на основе эмпирических знаний, прежде чем теория полупроводников послужила руководством для построения более надежных и надежных устройств.

Александр Грэм Белл использовал светочувствительное свойство селена для передачи звука по лучу света в 1880 году. Рабочий солнечный элемент с низкой эффективностью был построен Чарльзом Фриттом в 1883 году с использованием металлической пластины, покрытой селеном, и тонким слоем золото; устройство стало коммерчески полезным в фотографических измерителях света в 1930-х годах. В 1904 году Джагадиш Чандра Бозе использовал выпрямители из СВЧ-детектора с точечным контактом, изготовленные из сульфида свинца; детектор кошачьего вискера с использованием естественной галениты или других материалов стал общим устройством в развитии радио. Тем не менее, это было несколько непредсказуемо в работе и требовало ручной регулировки для лучшей производительности. В 1906 году HJ Round наблюдал излучение света, когда электрический ток проходил через кристаллы карбида кремния, принцип светоизлучающего диода. Олег Лосев наблюдал аналогичное свечение в 1922 году, но в то время эффект не имел практического применения. Выпрямители мощности, использующие оксид меди и селен, были разработаны в 1920-х годах и стали коммерчески важными в качестве альтернативы вакуумным трубчатым выпрямителям.

В годы, предшествовавшие Второй мировой войне, инфракрасные устройства обнаружения и связи побудили исследовать материалы свинца-сульфида и свинца-селенида. Эти устройства использовались для обнаружения кораблей и самолетов, инфракрасных дальномеров и систем голосовой связи. Точечный контактный кристаллический детектор стал жизненно важным для микроволновых радиосистем, поскольку имеющиеся устройства вакуумной трубки не могли служить в качестве детекторов выше 4000 МГц; усовершенствованные радиолокационные системы полагались на быструю реакцию кристаллических детекторов. Во время войны произошли значительные исследования и разработки в области кремниевых материалов для разработки детекторов постоянного качества.

Детектор и выпрямители мощности не могли усилить сигнал. Много усилий было предпринято для создания твердотельного усилителя и были успешны в разработке устройства, называемого точечным контактным транзистором, который мог бы усиливать 20 дБ или более. В 1922 году Олег Лосев разработал двухконтактные, отрицательные усилители сопротивления для радио, и он погиб после блокады блокады Ленинграда. В 1926 году Юлиус Эдгар Лилиенфельд запатентовал устройство, напоминающее современный полевой транзистор, но это было непрактично. R. Hilsch и RW Pohl в 1938 году продемонстрировали твердотельный усилитель с использованием структуры, напоминающей контрольную сетку вакуумной трубки; хотя на устройстве отображается коэффициент усиления мощности, он имеет частоту отсечки одного цикла в секунду, слишком низкую для любых практических приложений, но эффективное применение имеющейся теории. В Bell Labs Уильям Шокли и А. Холден начали исследовать твердотельные усилители в 1938 году. Первое p-n-соединение в кремнии наблюдалось Расселом Олом в 1941 году, когда образец оказался светочувствительным, с резкой границей между примесью p-типа на одном конце и n-типом — с другой. Срезы, вырезанные из образца на границе p-n, развивали напряжение при воздействии света.

Во Франции во время войны Герберт Матаре наблюдал усиление между соседними точечными контактами на базе германия. После войны группа Mataré анонсировала свой усилитель Transistron только вскоре после того, как Bell Labs анонсировала «транзистор».

Поделиться ссылкой:

• Нажмите, чтобы поделиться на Twitter (Открывается в новом окне)
• Нажмите здесь, чтобы поделиться контентом на Facebook. (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться записями на Pinterest (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться записями на Tumblr (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться на LinkedIn (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться в WhatsApp (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться в Skype (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться в Telegram (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться на Reddit (Открывается в новом окне)
• Нажмите, чтобы поделиться записями на Pocket (Открывается в новом окне)

Related

Электрические свойства полупроводников | Bentham Science

Электрические свойства полупроводников

Стр. 243–276 (34)

DOI: 10.2174 / 9781608055180113010012

Автор (ы): Никола Пинто, Марко Фиккаденти, Лоренцо Моррези Университет Камерино, Школа науки и технологий, Отделение физики, Via Madonna delle Carceri 9, Камерино, 62032, Италия, Италия

Место работы:

Абстрактные

Точное измерение электрических свойств полупроводников — фундаментальный шаг для дизайн и правильность работы любого электронного устройства.Электрические характеристики любого устройства будут зависят от того, как носители движутся внутри решетки полупроводника. Мера удельного сопротивления, концентрация мелких и глубоких состояний, подвижность носителей заряда и т. д. позволяют создавать новые и расширенные функциональные возможности, а также для улучшения существующих технологий устройств. В этой главе мы будем дать краткий обзор основных электронных транспортных коэффициентов и экспериментальных методов, используемых для исследовать полупроводниковые материалы и основные параметры солнечных элементов.Мы ограничили свое внимание самые распространенные и надежные методики. Наша работа разделена на семь разделов. Первое а вторые разделы определяют проводимость и подвижность любого материала с точки зрения его зонной структуры. и рассматриваются некоторые свойства полупроводников и легирование материалов. Третий и четвертый разделы иллюстрируют основные механизмы рассеяния носителей заряда в полупроводнике и несколько экспериментальных методы измерения удельного сопротивления тонких пленок, соответственно.Пятый раздел знакомит с эффектом Холла и определяет коэффициент Холла и подвижность Холла с описанием экспериментального метода для Измерьте их. В шестом разделе мы приводим краткий анализ дефектов глубокого состояния и описываем Метод DLTS для их выявления в решетке полупроводника. Наконец, в седьмом разделе мы описываем вольт-амперный метод, обычно используемый для измерения основных параметров солнечных элементов.

Ключевые слова:

Электрические проводники, измерение сопротивления, тензор проводимости, носитель заряда рассеяние, подвижность Холла, коэффициент Холла, геометрия Ван-дер-Пау, переходные процессы на глубоких уровнях. Спектроскопия, вольт-амперные характеристики, электрические параметры солнечных элементов.

Электропроводность — Полупроводники — Энергия, тип, столбец и электроны

Полупроводники — это материалы, в которых проводимость намного ниже, чем у металлов, и ее можно варьировать за счет управления их составом. Эти вещества теперь известны как плохие изоляторы, а не плохие проводники, с точки зрения их атомной структуры. Хотя некоторые полупроводниковые вещества были идентифицированы и изучены ко второй половине девятнадцатого века, их свойства не могли быть объяснены на основе классической физики .Только в середине двадцатого века, когда современные принципы квантовой механики были применены к анализу как металлов, так и полупроводников, теоретические расчеты значений проводимости согласились с результатами экспериментальных измерений.

В хорошем изоляторе электроны не могут двигаться, потому что почти все разрешенные орбитальные состояния заняты. Затем должна быть подана энергия, чтобы вывести электрон из крайнего связанного положения в более высокое разрешенное состояние. При этом остается вакансия, в которую другой связанный электрон может запрыгнуть под действием электрического поля.Таким образом, как возбужденный электрон, так и его вакансия становятся подвижными. Вакансия действует как положительный заряд, называемый дыркой, и дрейфует в направлении, противоположном электронам. Электроны и дырки обычно называют носителями заряда.

В хороших изоляторах энергия активации носителей заряда высока, и для их доступности требуется соответственно высокая температура. В плохих изоляторах, то есть в полупроводниках, активация происходит при температурах умеренно выше 80,6 ° F (27 ° C). Каждое вещество имеет характерное значение.

Существует намного больше соединений, чем элементов, которые можно отнести к полупроводникам. Некоторые элементы из столбца IV периодической таблицы имеют ковалентные связи: углерод, (C), германий (Ge) и кремний (Si). Что касается углерода, только графитовая форма является полупроводниковой; алмаз — отличный изолятор. Следующий элемент в этом столбце, олово (Sn), претерпевает переход из полупроводника в металл при 59 ° F (15 ° C), ниже комнатной температуры, что указывает на неприемлемо низкую энергию активации.Другие элементы, которые демонстрируют полупроводниковые свойства, находятся в нижней части столбца VI, в частности селен (Se) и теллур (Te).

Есть две основные группы соединений с полупроводниковыми свойствами, названные в честь столбцов периодической таблицы их составляющих: III-V, включая, среди прочего, арсенид галлия (GaAs) и антимонид индия (InSb); и II-VI, включая сульфид цинка (ZnS), селениды, теллуриды и некоторые оксиды. Во многих отношениях эти соединения имитируют поведение элементов IV столбца.Их химические связи бывают смешанными ковалентными и ионными. Есть также некоторые органические полупроводниковые соединения, но их анализ выходит за рамки данной статьи.

Полупроводник называется внутренним, если его проводимость является результатом равного вклада его собственных электронов и дырок. Затем уравнение необходимо расширить:

В собственном полупроводнике n _e = n _h , а e имеет одинаковое числовое значение для электрона (-) и оставшейся дырки (+).Подвижности обычно разные. Эти термины складываются, потому что противоположные заряды движутся в противоположных направлениях, что приводит к появлению пары одинаковых знаков в каждом продукте.

Для применения в устройствах полупроводники редко используются в чистом или собственном составе. В тщательно контролируемых условиях вводятся примеси, которые вносят либо избыток, либо недостаток электронов. Избыточные электроны нейтрализуют дырки, так что для проводимости доступны только электроны. Полученный материал называется n-типом, n — отрицательный носитель.Примером материала n-типа является Si с Sb, элементом IV столбца с примесью столбца V, известной как донор. В материале n-типа донорные атомы остаются фиксированными и положительно ионизированными. Когда примесь столбца III вводится в элемент столбца IV, электроны связываются и становятся доступными дырки. Этот материал называется p-типом, p для положительного носителя. Примеси колонки III известны как акцепторы; в материале акцепторные атомы остаются фиксированными и отрицательно ионизированными. Примером материала p-типа является Si с Ga.Полупроводники n-типа и p-типа называются внешними.

Тепловая кинетическая энергия — не единственный механизм высвобождения носителей заряда в полупроводниках. Фотоны с энергией, равной энергии активации, могут быть поглощены связанным электроном, который в собственном полупроводнике добавляет себя и дырку в качестве мобильных носителей. Эти фотоны могут находиться в видимом диапазоне или в ближнем инфракрасном диапазоне, в зависимости от E _G . В обычных полупроводниках фотоны с гораздо более низкими энергиями могут вносить вклад в пул преобладающего типа носителей, при условии, что материал охлаждается до криогенных температур, чтобы уменьшить популяцию термически активированных носителей.Такое поведение известно как фотопроводимость.

Каждый отдельный вид полупроводника является омическим, с постоянной проводимостью при постоянной температуре. Однако с повышением температуры проводимость увеличивается очень быстро. Концентрация доступных носителей меняется в соответствии с экспоненциальной функцией:

, где E _G — зазор или энергия активации, k — постоянная Больцмана (1,38 × 10 ²³ джоулей / кельвин), T — абсолютная температура (кельвин), а произведение kT — соответствующая тепловая энергия до температуры Т.Увеличение доступных носителей заряда перекрывает любое снижение подвижности, и это приводит к отрицательному значению a. Действительно, уменьшение сопротивления с повышением температуры является надежным признаком того, что вещество является полупроводником, а не металлом. Графит — пример проводника, который во многих отношениях кажется металлическим, за исключением отрицательной АЛЬФА. Напротив, положительная АЛЬФА — не совсем точный тест на металлическую проводимость.

Уровень Ферми, E _F , может отображаться по-разному для собственных полупроводников, полупроводников n-типа и p-типа.Однако для физически связанных материалов E _F должно быть одинаковым для теплового равновесия. Это следствие законов термодинамики и сохранения энергии. Таким образом, поведение различных переходов, в которых внутренние уровни энергии сдвигаются, чтобы приспособиться к выравниванию уровня Ферми, чрезвычайно важно для полупроводниковых устройств.

Полупроводники (электрические свойства материалов) Часть 2

Внешние полупроводники

Доноры и акцепторы

В предыдущем разделе мы узнали, что в собственных полупроводниках только очень небольшое количество электронов (около 109 электронов на кубический сантиметр) способствует проводимости электрического тока.Однако в большинстве полупроводниковых устройств присутствует значительно большее количество носителей заряда. Их вводят легированием, т.е. добавлением небольших количеств примесей в полупроводниковый материал. В большинстве случаев в качестве легирующих примесей используются элементы III или V группы таблицы Менделеева. Они замещают некоторые регулярные атомы решетки путем замещения. Начнем обсуждение с рассмотрения случая, когда к кремнию добавляется небольшое количество фосфора (например, 0,0001%). Фосфор имеет пять валентных электронов, т.е.е., на один валентный электрон больше, чем у кремния. Четыре из этих валентных электронов образуют регулярные электронные парные связи со своими соседними атомами кремния (рис. 8.6). Пятый электрон, однако, слабо связан с кремнием, т.е. энергия связи составляет около 0,045 эВ (см. Тему 4 и задачу 10.)

Рисунок 8.6. Двумерное представление решетки кремния. Показано, что примесный атом группы V периодической таблицы (P) заменяет атом кремния. Облако заряда вокруг атома фосфора связано с дополнительным электроном фосфора.Каждая электронная пара между двумя атомами кремния образует ковалентную связь (обмен электронами). Два электрона такой пары неотличимы, но должны иметь противоположный спин, чтобы удовлетворить принципу Паули.

При немного повышенных температурах этот лишний электрон отделяется от своего атома и дрейфует через кристалл как электрон проводимости, когда на кристалл подается напряжение. Дополнительные электроны этого типа называются «донорными электронами». Они заполняют зону проводимости полупроводника, тем самым внося свой вклад в процесс проводимости.

Следует отметить, что при достаточно высоких температурах в дополнение к этим донорным электронам некоторые электроны из валентной зоны также возбуждаются в зону проводимости внутренним образом. Таким образом, зона проводимости содержит электроны от двух источников, количество которых зависит от температуры устройства (см. Раздел 8.3.3). Поскольку в механизме проводимости в полупроводниках с донорными примесями (P, As, Sb) преобладают отрицательные носители заряда (электроны), эти материалы называют полупроводниками n-типа.Электроны являются основными носителями.

Аналогичное рассмотрение можно провести с примесями из третьей группы периодической диаграммы (B, Al, Ga, In). У них на один электрон меньше, чем у кремния, и поэтому они вносят в кристалл облако положительного заряда вокруг примесного атома. В механизме проводимости в этих полупроводниках с акцепторными примесями преобладают положительные носители (дырки), которые вводятся в валентную зону. Поэтому их называют полупроводниками p-типа.

Ленточная структура

Зонная структура примесных или примесных полупроводников по существу такая же, как у собственных полупроводников. Однако желательно каким-то образом представить присутствие примесных атомов примесными состояниями.

Рисунок 8.7. (а) Донорный и (б) акцепторный уровни в примесных полупроводниках.

В запрещенную зону принято вводить так называемые донорные или акцепторные уровни (рис.8.7). Расстояние между донорным уровнем и зоной проводимости представляет собой энергию, необходимую для переноса лишних электронов в зону проводимости. (То же самое верно для акцепторного уровня и валентной зоны.) Однако следует подчеркнуть, что введение этих примесных уровней не означает, что подвижные электроны или дырки находятся в запрещенной зоне, скажем, кремния. Примесные состояния используются только как удобный способ напомнить читателю о наличии дополнительных электронов или дырок в кристалле.

Температурная зависимость количества носителей

При 0 К избыточные электроны донорных примесей остаются в непосредственной близости от примесного атома и не вносят вклад в электрическую проводимость. Мы выражаем этот факт тем, что все донорские уровни заполнены. С повышением температуры электроны-доноры преодолевают небольшой потенциальный барьер (рис. 8.7 (а)) и возбуждаются в зону проводимости. Таким образом, донорные уровни все больше опустошаются, а количество отрицательных носителей заряда в зоне проводимости увеличивается экспоненциально, подчиняясь уравнению, аналогичному (8.9). После того, как все электроны были возбуждены с донорных уровней в зону проводимости, дальнейшее повышение температуры не создает дополнительных электронов, и кривая Ne в зависимости от T выравнивается (рис. 8.8). Как упоминалось ранее, при еще более высоких температурах внутренние эффекты создают дополнительные электроны, которые, в зависимости от количества легирования, могут превосходить количество электронов, поставляемых атомами примеси.

Точно так же акцепторные уровни не содержат электронов при 0 К. При повышении температуры электроны возбуждаются из валентной зоны на акцепторные уровни, оставляя положительные носители заряда.Когда все уровни акцепторов заполнены, количество дырок в валентной зоне не увеличивается до тех пор, пока не начнутся внутренние эффекты.

Рисунок 8.8. Схематическое изображение зависимости числа электронов на кубический сантиметр в зоне проводимости от температуры для примесного полупроводника с низким уровнем легирования.

Электропроводность

Проводимость внешних полупроводников может быть рассчитана аналогично предыдущему разделу (8.13), умножив количество носителей на подвижность m и заряд электрона e. Однако при температуре около комнатной следует учитывать только основные носители. Например, для электронной проводимости получается

где Nde — количество донорных электронов, а me — подвижность донорных электронов в зоне проводимости. Как упоминалось выше, разумно предположить, что при комнатной температуре практически все донорные электроны были возбуждены с донорных уровней в зону проводимости (рис.8.8). Таким образом, для чистых полупроводников n-типа Nde по существу идентичен количеству примесей (то есть донорных атомов) Nd. При существенно более низких температурах, то есть примерно при 100 К, количество электронов проводимости необходимо рассчитывать с помощью уравнения, аналогичного (8.8).

На рисунке 8.9 показана температурная зависимость проводимости. Заметим, что величина проводимости, а также температурная зависимость s различаются для разных уровней легирования.Например, для низких скоростей легирования и низких температур проводимость уменьшается с повышением температуры (рис. 8.9 (b)). Это похоже на случай металлов, где колебания решетки создают препятствие для дрейфующих электронов (или, выражаясь иначе, подвижность носителей уменьшается из-за некогерентного рассеяния электронов). Однако при комнатной температуре возникают внутренние эффекты, которые увеличивают количество носителей и, следовательно, увеличивают проводимость. Как следствие, два конкурирующих эффекта определяют проводимость выше комнатной температуры: увеличение s из-за увеличения количества электронов и уменьшение s из-за уменьшения подвижности.(Следует отметить, что подвижность электронов или дырок также немного уменьшается при добавлении примесных атомов в полупроводник.)

Рисунок 8.9. Проводимость двух примесных полупроводников: (а) относительно высокое легирование и (б) низкое легирование. Nd = количество донорных атомов на кубический сантиметр.

Для высоких уровней легирования, температурная зависимость s менее выражена из-за и без того большего количества носителей (рис. 8.9 (a)). Удельное сопротивление (1 / с) кремния, легированного p- и n-типом, при комнатной температуре представлено в графической форме в теме 4.

Fermi Energy

В полупроводнике n-типа на электронов больше в зоне проводимости, чем дырок в валентной зоне. Это особенно актуально при низких температурах. Следовательно, энергия Ферми должна находиться между донорным уровнем и зоной проводимости (рис. 8.10). С повышением температуры внешний полупроводник становится все более внутренним, а энергия Ферми приближается к значению для собственного полупроводника, то есть — (Eg / 2). [Аналогично, энергия Ферми для полупроводника p-типа возрастает с повышением температуры от уровня ниже акцепторного до — (Eg / 2).]

Рисунок 8.10. Уровень Ферми полупроводника n-типа как функция температуры. Nd «1016 (атомов на кубический сантиметр).

Эффективная масса

Некоторые свойства полупроводников можно лучше понять и рассчитать, оценив эффективную массу носителей заряда. В разделе 6.7 мы упоминали, что m * обратно пропорционально кривизне электронной зоны. Теперь мы воспользуемся этим открытием.

Сначала исследуем верхнюю часть валентной зоны кремния вблизи r (рис.8.2). Заметим, что кривизна этих полос выпуклая вниз. Из рис. 6.8 известно, что в этом случае носители заряда имеют отрицательную эффективную массу, т.е. эти зоны можно считать заселенными электронными дырками. Кроме того, мы видим, что кривизна отдельных полос немного отличается. Таким образом, эффективные массы дырок в этих зонах также должны быть разными. Правильно различают легкие и тяжелые дыры. Поскольку две полосы, а именно, имеющие меньшую кривизну, почти идентичны, мы заключаем, что два из трех типов дырок являются тяжелыми дырками.

Обратимся теперь к зоне проводимости кремния и сосредоточим наше внимание на самой нижней зоне (рис. 8.2). Мы замечаем минимум (или впадину) примерно в 85% между точками r и X. Поскольку кривизна в этом месте выпуклая вверх, мы ожидаем, что эта полоса будет населена электронами. (Поверхность энергии около минимума на самом деле представляет собой сфероид. Это приводит к продольным и поперечным массам m {* и m *.) Значения эффективных масс приведены в теме 4. Иногда в литературе приводятся средние эффективные массы.Их можно использовать для оценок.

Эффект Холла

Число и тип носителей заряда (электронов или дырок), которые были вычислены в предыдущих разделах, можно элегантно измерить, используя эффект Холла. На самом деле в легированном кремнии вполне возможно измерить концентрацию менее 1012 электронов на кубический сантиметр, т.е. можно измерить один донорный электрон (а значит, и один донорный атом) на 1010 атомов кремния. Эта чувствительность на несколько порядков лучше, чем при любом химическом анализе.

Мы предполагаем для нашего обсуждения полупроводник n-типа , в котором проводимость преобладает за счет электронов. Предположим, что электрический ток имеет плотность j, направленную в положительном направлении оси x (что по определению подразумевает, что электроны текут в противоположном направлении). Далее мы предполагаем, что магнитное поле (с магнитной индукцией B) приложено перпендикулярно этому электрическому полю в направлении z (рис. 8.11). Затем на каждый электрон действует сила, называемая силой Лоренца, которая заставляет траектории электронов искривляться, как показано на рис.8.11. Как следствие, электроны накапливаются на одной стороне пластины (на рис. 8.11 с правой стороны) и отсутствуют на другой стороне.

Рисунок 8.11. Схематическое изображение эффекта Холла в полупроводнике n-типа (или в металле, в котором электроны являются преобладающими носителями тока).

Таким образом, в (отрицательном) направлении оси y создается электрическое поле, которое называется полем Холла. В равновесии сила Холла

уравновешивает вышеупомянутую силу Лоренца

, который пропорционален скорости электронов vx, магнитной индукции Bz и заряду электрона e.FH + FL = 0 дает для поля Холла

Комбинируя (8.18) с (7.4) (и зная, что ток направлен в направлении, противоположном потоку электронов; см. Выше)

дает для числа электронов проводимости (в единице объема)

, где Ax — площадь, перпендикулярная потоку электронов, а Vy — напряжение Холла, измеренное в y-направлении.

Все переменные в правой части (8.20) можно легко измерить, а затем вычислить число электронов проводимости.Довольно часто постоянная Холла

, что обратно пропорционально плотности носителей заряда N. Знак постоянной Холла указывает, преобладают ли в процессе проводимости электроны или дырки. RH отрицательна, когда электроны являются преобладающими носителями заряда. (Электронные дырки отклоняются в том же направлении, что и электроны, но движутся в противоположном направлении.)

Существует аномальный эффект Холла, также называемый необычным эффектом Холла, который наблюдается в ферромагнитных материалах и вызывает дополнение к обычному эффекту Холла.Этот вклад больше обычного эффекта Холла и обусловлен намагниченностью проводника. Его происхождение до сих пор обсуждается.

Было обнаружено, что проводимость Холла, sy , квантуется кратно e2 / h (где h, как обычно, постоянная Планка). Этот квантовый эффект Холла (КЭХ) можно особенно наблюдать для очень чистого Si или GaAs при очень низких температурах (около 3 К) и очень сильных магнитных полях (например, 18 Тесла). Если найдено несколько целых чисел e2 / h, это называется целочисленным квантовым эффектом Холла, который объясняется постулированием одночастичных орбиталей электрона в магнитном поле (квантование Ландау).Когда наблюдаются рациональные доли u от e2 / h (где u = 1/3, 1/5, 5/2, 12/5,… называется фактором заполнения), это явление называется дробным квантовым эффектом Холла, который объясняется электрон-электронным взаимодействием. Поскольку QHE можно измерить с точностью почти до одной части на миллиард, он используется в качестве стандарта для электрического сопротивления. (h / e2 = 25812.807557 O называется постоянной фон Клитцинга или «квантом сопротивления»). Интересно, что КЭХ впервые был измерен (фон Клитцингом в 1980 г.) в кремниевых полевых транзисторах, в которых концентрацию электронов N можно непрерывно изменять, изменяя напряжение на затворе (см. Раздел 8.7.9). Затем эффект Холла измеряется путем анализа зависимости напряжения Холла от напряжения на затворе. Плато наблюдаются, когда отношение между N и количеством квантов потока (наименьшая единица магнитного потока, которая может быть заключена на орбите электрона) является целым числом. Нобелевская премия по физике была присуждена в 1985 году фон Клитцингу за открытие целочисленного QHE, тогда как Цуй, Штормер и Лафлин получили ее в 1998 году за дробное QHE.

Составные полупроводники

Арсенид галлия (соединение элементов группы III и группы V Периодической таблицы) представляет большой технический интерес, частично из-за его большой запрещенной зоны, 12 которая по существу предотвращает вклад в примесные полупроводники даже при повышенных температурах, частично потому, что из-за его большей подвижности электронов, 12 которая помогает в высокоскоростных приложениях, и, в частности, из-за его оптических свойств, которые являются результатом того факта, что GaAs является материалом с «прямой запрещенной зоной» (см. раздел 12).Большая подвижность электронов в GaAs обусловлена ​​малым значением эффективной массы электронов, что, в свою очередь, является результатом сравнительно большой выпуклой вверх кривизны зоны электронов проводимости вблизи r. (См. В этом контексте зонную структуру GaAs на рис. 5.24.) Электроны, которые были возбуждены в зону проводимости (в основном с донорных уровней), скорее всего, заселяют эту область высокой кривизны вблизи r.

Атомная связь в полупроводниках III-V и II-VI напоминает элементов IV группы (ковалентных) с той дополнительной особенностью, что связь является частично ионной из-за различной валентности участвующих элементов.Энергии ионизации12 донорных и акцепторных примесей в GaAs, как правило, на порядок меньше, чем в германии или кремнии, что обеспечивает полную ионизацию даже при относительно низких температурах. Кристаллическая структура GaAs аналогична кремнию. Атомы галлия замещают угловые и торцевые атомы, тогда как мышьяк занимает места четырех внутренних узлов (структура цинковой обманки).

Высокие ожидания, которые возлагались на GaAs как на полупроводниковый материал будущего, до сих пор не оправдались.Это правда, что устройства на основе GaAs в два с половиной раза быстрее, чем устройства на основе кремния, и что «шум» и уязвимость к космическому излучению значительно уменьшены в GaAs из-за его большей ширины запрещенной зоны. С другой стороны, его в десять раз более высокая цена и гораздо больший вес (dSi = 2,3 г / см3 по сравнению с dGaAs = 5,3 г / см3) являются серьезными препятствиями для широкого использования компьютерных чипов или солнечных панелей. Таким образом, GaAs преимущественно используется для специальных приложений, таких как высокочастотные устройства (например.g., 10 ГГц), некоторые военные проекты или спутниковые предусилители. Однако одно из немногих мест, где GaAs, по-видимому, пока не имеет серьезной конкуренции, — это оптоэлектроника (хотя даже в этой области, судя по результатам последних исследований, возникают проблемы).

В части III мы узнаем, что только материалы с прямой запрещенной зоной, такие как GaAs, подходят для лазеров и светодиодов (LED). Материалы с непрямой запрещенной зоной, такие как кремний, вместо этого обладают тем свойством, что часть энергии возбужденного электрона удаляется колебаниями решетки (фононами).Таким образом, эта энергия недоступна для излучения света. Мы вернемся к приборам на GaAs в разделе 8.7.9.

GaAs, конечно, не единственный составной полупроводниковый материал , который интенсивно исследуется или используется. Действительно, интерес представляют большинство соединений, состоящих из элементов III и V групп таблицы Менделеева. Среди них — GaP, GaN, InP, InAs, InSb и AlSb, и это лишь некоторые из них. 12 Но также рассматриваются соединения групп II-VI, такие как ZnO, ZnS, ZnSe, CdS, CdTe или HgS.Общим для этих соединений является то, что комбинация отдельных элементов имеет в среднем четыре валентных электрона на атом, поскольку они расположены на равных расстояниях по обе стороны от четвертого столбца. Другой класс сложных полупроводников — это материалы групп IV-VI, 12 которые включают PbS, PbSe и PbTe. Наконец, используются тройные сплавы, такие как AlxGa1-xAs, или четверные сплавы, такие как AlxGa1-xAsySb1-y. Большинство соединений и сплавов используются в оптоэлектронных устройствах, например.g., GaAs1 — xPx для светодиодов, излучающих свет в видимом спектре (см. Часть III). AlxGa1-xAs также используется в полевых транзисторах с модуляцией легирования (MODFET).

Наконец, карбид кремния является наиболее важным представителем соединений IV-IV групп. Поскольку ширина запрещенной зоны составляет около 3 эВ, a-SiC может использоваться для устройств с очень высокими температурами (700 ° C) и для светодиодов, излучающих свет в синем конце видимого спектра. Однако SiC стоит дорого и пока не может быть произведен с воспроизводимыми свойствами.Ga-N-In заменил SiC в качестве светодиодов, излучающих синий цвет, см. Стр. 280.

Легирование GaAs осуществляется, например, избытком атомов Ga (p-тип) или избытком As (n-тип). Si действует как донор, если он замещает атомы Ga, и как акцептор, замещая атомы As. Недавно усовершенствованная методика молекулярно-лучевой эпитаксии (МБЭ) позволяет получать требуемые соединения и легирующие примеси.

Полупроводниковые приборы

Контакты металл-полупроводник

Если полупроводник покрыт с одной стороны металлом, образуется выпрямляющий или омический контакт, в зависимости от типа используемого металла.Оба случая одинаково важны. Выпрямители широко используются в электронных устройствах, например, для преобразования переменного тока в постоянный. Однако обсуждаемый здесь тип был в основном заменен выпрямителями p-n. С другой стороны, все полупроводниковые устройства нуждаются в контактах, в которых электроны могут легко течь в обоих направлениях. Их называют омическими контактами, потому что их вольт-амперные характеристики подчиняются закону Ома (7.1).

В начале нашего обсуждения предположим, что поверхность полупроводника n-типа каким-то образом заряжена отрицательно.Отрицательный заряд отталкивает свободные электроны, которые были у поверхности, и оставляет положительно заряженные ионы-доноры (например, As +). Любой электрон, который дрейфует к поверхности (отрицательное направление оси x на рис. 8.12 (a)), «чувствует» эту отталкивающую силу. Как следствие, в области у поверхности меньше свободных электронов, чем внутри твердого тела.

Рисунок 8.12. (а) Зонная диаграмма для полупроводника n-типа с отрицательно заряженной поверхностью. (б) Зонная диаграмма для полупроводника p-типа, поверхность которого заряжена положительно.X — расстояние от поверхности.

Эта область называется обедненным слоем (или иногда областью пространственного заряда).

Чтобы проиллюстрировать отталкивающую силу внешнего отрицательного заряда, принято изгибать электронные полосы вверх около поверхности. Истощение затем можно понять, заявив, что электроны принимают самое низкое возможное энергетическое состояние (или в просторечии выражается: «Электроны любят катиться под гору»). Слой обеднения является потенциальным барьером для электронов.

Аналогично, , если полупроводник p-типа положительно заряжен на поверхности, положительные носители (дырки) отталкиваются к внутренней части кристалла, а края зоны изгибаются вниз (рис. 8.12 (b)). Это представляет собой потенциальный барьер для дырок (потому что дыры «хотят дрейфовать вверх», как воздушный шар, наполненный водородом).

Научные принципы

Научные принципы

Проводники, изоляторы и полупроводники:

Все материалы обладают электрическими свойствами, которые позволяют им быть организован в три широкие категории: проводники, изоляторы и полупроводники.Металлы (чистые элементы и сплавы) обычно являются проводниками. из электричество. Тысячи миль алюминиевых и медных проводов пересечь страна приносит электричество в наши дома и на работу. А относительно небольшое количество неметаллических веществ также можно отнести к классу проводники. Кроме того, очень немногие керамические соединения демонстрируют необычные свойство сверхпроводимость при низкой температуре жидкого азота или ниже.В неметаллические элементы и их соединения относятся к классу электрические изоляторы. Большинство керамических и пластмассовых материалов не проводят электричество. под обычные обстоятельства. Пластиковые покрытия часто встречаются покрытие меди провода, чтобы защитить пользователя от ударов и предохранить устройства от короткого замыкания. кругооборот. Керамические ручки используются там, где электрические провода прикреплены к электрические столбы или к задней части дома. Третья группа материалов, полупроводники, банка быть понятым из их имени, оказаться где-то посередине между проводники и изоляторы.

Хотя чистые элементы, такие как кремний, играют важную роль в много полупроводниковые приборы, это чаще всего используется путем добавления очень маленький, но контролируемое количество примесей с целью изменения его свойств. Материалы на основе кремния преобладают в полупроводниковой промышленности и в электронные устройства, такие как компьютеры и калькуляторы, но ряд Другие также широко используются соединения, в том числе GaAs (или галлий арсенид), который материал, используемый в лазере проигрывателя компакт-дисков.Некоторые другие комбинации элементы, проявляющие полупроводниковые свойства, указаны на периодический таблицу ниже (см. рисунок 1). В чтениях и лабораторных занятиях что следует, акцент делается на том, что такое полупроводниковые материалы, как они использовал, что свойства, которыми они обладают, и почему они ведут себя именно так.

Рисунок 1: элементов, обнаруженных в элементах и ​​соединениях полупроводники. Группа IV — элементарные полупроводники.Составные полупроводники может быть сформирован объединение групп III и V или II и VI.

Электрическая проводимость:

Электропроводность — это функция способности материала нести электрический ток. Электропроводность () материала равна определенный взяв обратную величину измеренного электрического сопротивление (R) к поток электричества на отрезке (L) материала, деленный на площадь поперечного сечения (A).

См. Рисунок 2 для сравнения проводимости материалов. Проводимость зависит от температуры. При повышении температуры проводимость металл уменьшается. Напротив, проводимость чистого полупроводники и изоляторов увеличивается при повышении температуры. Контроль и изменение проводимость материалов — одна из проблем, стоящих перед электронный материаловеды.

Рисунок 2: Электропроводность некоторых распространенных материалы.

При приложении электрического поля электроны могут проходить через материал, если есть пустые состояния во внешних (валентных) оболочках атомов которые составляют материал. Электрон не будет легко перемещаться между атомами если есть не вакантное состояние аналогичной энергии в принимающем атоме для него оккупировать. Мы моделируем пустое и заполненное состояния (энергия электронов уровни) с использованием квантовая теория. Один атом имеет электроны, локализованные около сам.An атомная орбиталь одного атома может перекрываться с атомной орбиталь другого атом, образующий две молекулярные орбитали. Один, называемый связью молекулярный орбитальный, имеет низкую энергию, а другой с более высокой энергией — называется антисвязывающая молекулярная орбиталь. Поскольку все больше и больше атомов собираются в сформировать сплошной, количество связывающих и антисвязывающих орбиталей около та же энергия увеличивается, и они начинают приобретать характеристики энергия группа.(См. Рисунок 3). Энергетические различия между орбитали в полоса небольшая. Электроны могут свободно перемещаться между этими орбиталями. в пределах энергетическая зона, пока орбитали не полностью заняты. Самый высокий занятая энергетическая зона называется валентной зоной. Но есть это регион который отделяет валентную зону от зоны проводимости где есть нет орбиталей. Электроны не могут иметь такую ​​энергию. В изоляторы, эта запрещенная зона относительно велика, и в полупроводниках энергетический разрыв составляет средний.

Рисунок 3: Энергетические зоны металлов, полупроводников и изоляторы. Для изоляторы и полупроводники, нижняя полоса называется валентная полоса а верхняя полоса называется зоной проводимости. В нижняя энергетическая полоса в металл частично заполнен электронами.

Атомы, образующие металлические проводники, имеют много частично и полностью незанятый уровни с близкими энергиями: большое количество подвижных зарядов перевозчики может перемещаться по материалу, когда электрический потенциал (напряжение) равно применяемый.В полупроводнике или изоляторе валентная зона имеет вид полностью заполнены электронами в связующих состояниях, так что проводимость не может происходить. Там на соседних атомах отсутствуют вакантные уровни с одинаковой энергией. В абсолютный ноль, его антисвязывающие состояния (зона проводимости) полностью пусты. Есть нет электронов, проводящих электричество. Вот почему изоляторы не мочь поведение. В случае полупроводников при повышении температуры электроны в валентная зона приобретает достаточно энергии для продвижения через энергия разрыв »в зону проводимости.Когда это происходит, эти повышенные электроны могут двигаться и проводить электричество. Чем меньше ширина запрещенной зоны, тем легче это для электронов переходить в зону проводимости.

Аналогия:

Может помочь аналогия для объяснения этого процесса проведения. Представлять себе а автомагистраль в Лос-Анджелесе с четырьмя полосами местного движения и четырьмя полосами движения. выражать полосы движения на север (направление, противоположное электрическому полю). Теперь представлять себе что строительство остановило движение на всех скоростных полосах (валентная полоса).Между тем, местные полосы движения (зона проводимости) полностью закрыты. пустой потому что все решили ехать по экспресс-полосам, чтобы ехать быстрее. Никто не может двигаться по экспресс-полосам, а на местных полосах нет машин так что никто попадает куда угодно. Неожиданно футбольная команда LA Raiders (жара энергия) выходит другого автобуса застрял в пробке и решает поднять машину барьер (энергетическая щель) в местные переулки. Чем выше барьер, медленнее команда поднимет машины через барьер, и меньшее количество машин доберется до двигаться.Каждый раз, когда автомобиль поднимается над барьером, он начинает двигаться так «текущий поток» начинается. Каждый раз, когда автомобиль снимается с полосы скоростного движения, другие машины могут двигаться в отверстие, которое он оставляет, поэтому немного тока также переносится там (в валентная зона). Обратите внимание, что автомобиль на местных полосах движется по противоположный направление от дыры осталось позади! К сожалению, машины в местный время от времени полосы сходятся на съездах, и въезжают новые машины. экспресс полосы, чтобы заполнить дыры, поэтому только ограниченное количество тока может поток.

Эта аналогия хорошо подходит для объяснения проводимости в чистом виде. (внутренний) полупроводники, в которых носители заряда происходят из химических облигации в само вещество. Тепловая энергия в полупроводнике увеличивает количество электроны продвигаются в пустую зону проводимости; в вакансии (или дырок), созданные в этом процессе, позволяют подвижность электронов в валентная полоса через материал. При высоких температурах эти полупроводники относительно хорошие проводники, потому что в в зона проводимости и отверстия в валентной зоне, доступные для движение электронов.Но при низких температурах собственные полупроводники являются изоляторами. так как количество электронов и дырок уменьшается. При абсолютном нуле внутренний полупроводник не имел бы электронов в зоне проводимости. Однако наиболее важные полупроводники относятся к внешнему типу, где некоторые примесь (другой элемент) была намеренно добавлена ​​в твердо для увеличить проводимость. Свойства внешнего полупроводники регулируется наличием этих примесей.

Допинг:

Легирование может дать два типа полупроводников в зависимости от элемент добавлен. Если элемент, используемый для легирования, имеет хотя бы еще один валентный электрон чем основной полупроводник, то n-тип (отрицательный тип) полупроводник создан. Например, если добавлен мышьяк к кремнию кристалл, мышьяк имеет на один валентный электрон (5) больше, чем кремний (4). Этот дополнительный электрон может переносить ток.Итак, как атом в Си как машина, которая решает выехать на местные переулки Лос-Анджелеса. автострада с скоростные полосы забиты. С кремнием или другой группой IV полупроводники, любые член Группы V (азот не используется) мог образовывать n-тип полупроводник. Если полупроводник легирован элементом, имеющим хотя бы один меньше электронов чем основной материал, то р-тип (положительный тип) полупроводник. Например, если кремний легирован с участием алюминия (три валентных электрона), в валентная полоса.Опять же, любой член Группы III мог легировать основной полупроводник из Группа IV и показать тот же эффект. Твердое тело будет иметь «положительное» отверстие в его электронный структура, которая двигалась бы в направлении, противоположном электрону поток . Таким образом, будет сформирован полупроводник p-типа. Это было бы как если бы футбол команда подняла машину и поставила ее на середину между скоростные полосы и местные переулки. Допинг не может быть применен до такой степени, что беспокоит кристаллическая структура основного полупроводника.Допинг делается в диапазон частей на миллион концентраций, но может достигать нескольких частей за тысячу. Полупроводник, легированный до нескольких частей на тысячу уровней, имеет проводимость близко к плохому металлу. Обдумываемый вопрос о рисунке 4: Почему уровни примесей n-типа и p-типа немного отличаются от уровни в собственном полупроводнике?

Рисунок 4: Полупроводник p-типа и n-типа.Пятый валентный электрон примеси n-типа может легко перейти в проводимость группа и носить Текущий. В полупроводнике p-типа электроны легко продвинулся в вакантный уровень в допанте. Это создает дыру в валентная полоса, которая может переносить ток, двигаясь в направлении, противоположном электронный поток.

Концепция отверстия:

Пара дополнительных аналогий может помочь объяснить эту дыру. концепция.Для На первый вам понадобится шесть стульев и пять студентов. Расстановка шесть стульев и попросите пять учеников сесть в ряд, оставив стул на право вакантный. Предположим, что клеммы внешнего тока положительны к право и отрицательный слева. Поскольку поток возбужденных электронов движется сквозь кристалл к положительному выводу, поэтому электроны из связанного перемещение сайта по направлению к положительному выводу в соседнее отверстие, в результате чего отверстие мигрировать к отрицательной клемме.Попросите учеников (электронов) двигаться один стул вправо; обратите внимание, что пустой стул (положительное отверстие) имеет взолнованный, фактически слева.

Для второй демонстрации требуется стеклянная пробирка, наполненная глицерин и закупорены. Обязательно оставьте пузырек воздуха внутри пробки. трубка. В глицерин представляет собой электроны, а воздушный пузырь представляет собой положительный дыры. Поскольку трубка переворачивается, и электроны движутся в своих направление (вниз — в данном случае из-за силы тяжести, но из-за положительной клеммы в электронный сценарий), воздушный пузырек движется в обратном направлении (вверх — из-за плотности различия в этом случае, но из-за влечения к отрицательному терминал в электрический шкаф.) После этих двух демонстраций должно быть ясно, что полупроводниковые дырки и электроны движутся в противоположных направлениях. направления.

Рисунок 5: Схема пузырька (дыры), движущегося вверх в перевернутый пробирка с глицерином.

Применение и исследования:

Строительный блок большинства полупроводниковых устройств включает в себя объединение р-тип и Области n-типа в p-n переходы. Представьте себе, что приносит вместе двое кристаллы, один из которых n-типа, а другой p-типа.Некоторые из электроны от потока n-типа к материалу p-типа. В точке где p-тип и n-типа встречаются (интерфейс) электроны с n-стороны заполняют дыры на p-сторона и нарастание противоположно заряженных ионов, и таким образом потенциал через барьерные формы. Это накопление заряда называется потенциал перехода. Барьер предотвращает дальнейшую миграцию электроны и чистый ток равен нулю.

Если на p-n переход с отрицательным Терминал соединен с n-областью, а p-область соединена с положительный клемма, электроны будут течь к положительной клемме, в то время как отверстия потекут к отрицательной клемме.Это называется вперед смещение и токи. Однако если положительный вывод подключен к n-типу и отрицательному, подключенному к p-типу, a обратное смещение формы и отсутствие текущих потоков из-за наращивания потенциала барьер. В Другими словами, эти устройства должны быть включены в электрическую цепь. с соблюдайте полярность, иначе они не будут работать. Это приложение п-п переход используется во многих электронных устройствах. На рисунке 6 показан формирование потенциал на p-n переходе.На рисунке 7 показан эффект форварда. и отрицательный смещение на p-n переходе.

Рисунок 6: p-n-переход до и после двух материалов. принес в контакт. Когда два материала помещаются вместе, электроны из n-сторона совмещаем с отверстиями на p-стороне. Этот приводит к положительному заряд на n-стороне перехода и отрицательный заряд накопление на сторона p. Это разделение зарядов создает соединение потенциал.Примечание: На стыке нет электронов и дырок, у них есть в сочетании с каждым Другие.

Рисунок 7: p-n-переход при прямом и обратном смещении. Обратите внимание, что в смещение вперед, шлагбаум понижается, а в обратное смещение, барьер поднят.

Обдумываемый вопрос: в каждом случае на Рисунке 7, какая сторона подключен к положительный полюс внешнего источника напряжения? Будут электроны или дыры нести ток, когда соединение имеет такое расположение?

Электронные устройства:

Есть много электронных устройств, которые работают с комбинациями п-п переходы, такие как диоды, солнечные элементы и транзисторы.В этом раздел краткое будет дано объяснение каждого из этих основных устройств.

Диод представляет собой приложение с p-n-переходом, которое действует как выпрямитель для преобразование переменного тока в постоянный. Это связано с способность диода пропускать ток в одном направлении, но не в Другие.

Солнечные элементы представляют собой устройства с p-n-переходом, которые используют солнечный свет для создания электрические энергия. Это энергия фотонов Солнца, которая вызывает в электроны продвигаются в зоны проводимости и переносят Текущий.Однако ток, производимый солнечным элементом, невелик. Это требует много солнечных ячеек, чтобы производить ток, достаточный для выполнения крупномасштабной работы. Если выход энергии от солнечных батарей может быть увеличено, солнечная энергия может быть использована для больше, чем отдельные, изолированные приложения.

Транзисторы — еще одно применение p-n перехода. Транзисторы, в отличие от диоды содержат более одного p-n перехода. Из-за этого транзистор может использоваться в цепи для усиления небольшого напряжения или тока в больший или работает как двухпозиционный переключатель.Транзисторы бывают двух основных типов: биполярный переходные транзисторы (BJT) и полевые транзисторы (FET). Примерно 95% всех электронных систем используют один или оба этих типа устройств.

БЮТ состоят из трех слоев легированных материалов, либо n-p-n или п-н-п в конфигурация. BJT действует как бугорок или плотина в открытом ручье. контролировать количество пропущенного тока; таким образом, по мере того, как бугорок опускается, больше текущий может поток.В BJT высота выпуклости регулируется основанием ток в полупроводник. BJT был изобретен в 1948 году Джоном Бардином, Уолтер Бриттен и Уильям Шокли с использованием германия. BJT остались Только важных трех терминальных полупроводниковых устройств около дюжины годы спустя их изобретение, и помогли запустить современную электронику эпоха.

С начала 1960-х годов полевой транзистор считался одним из самых важный устройства в твердотельной технике.В настоящее время многие из приложения BJT были заменены металл-оксидными полупроводниковыми полевыми транзисторами. (МОП-транзисторы). Полевые МОП-транзисторы теоретизировались много лет, прежде чем они смогли стать изготовлено. Причина, по которой полевые МОП-транзисторы не могли быть созданы, заключалась в том, что ученые не еще развит методы выращивания высококачественного диоксида кремния (SiO ₂ ) на кремний. Полевой транзистор функционирует больше как ворота для управления потоком тока (например, клапан на кран).Полевые транзисторы относительно просты в изготовлении по сравнению с BJT, и они зарекомендовали себя как чрезвычайно быстрые и надежные переключатели в миниатюрных размерах. схема компоненты с гораздо меньшим энергопотреблением, чем у BJT. Самый современный микропроцессоры основаны на устройствах на полевых транзисторах — от чипов Pentium в ПК до процессоров супер компьютеры. Транзисторы, диоды и другие электронные устройства объединены в множество различных шаблонов для формирования современных интегральных схем.

Интегральная схема (ИС) была рабочей лошадкой «микроэлектроника эпоха », начавшаяся в конце 1950-х гг.Эти чипы, как правило, сделаны из кремний состоят из комбинаций четырех основных электрических областей. Эти регионы содержат резисторы, конденсаторы, диоды и транзисторы. С 1971 г. Крупномасштабная интеграция (СБИС) позволила миллионы таких регионов быть изготовлен на микросхеме размером всего один квадратный сантиметр. Не только эти элементы схемы становятся меньше, они тоже становятся быстрее. Например современный типичный настольный компьютер на базе Pentium может выполнять десятки миллионы операций в секунду, тогда как современные суперкомпьютеры оценен в гигафлопс (миллиарды операций в секунду).Терафлоп (триллионы из операций в секунду) машины будут готовы к производству 2000 год.

Свойства и обработка электронных материалов:

Преобладание электронных материалов в данной информации возраст должен в часть нескольких фундаментальных научных открытий в девятнадцатый век. Для большинства современных полупроводниковых устройств требуется химическая элементы кремний, германий или галлий (в сочетании с мышьяком), но ни один из них не был изолированные или идентифицированные до 1824 г.Хотя кремний второй самый изобилие элемента в земной коре, оказалось очень трудно отдельный из его природных соединений, таких как диоксид кремния в обычном песке и другие силикатные минералы. Благодаря настойчивости и изобретательности шведский химик по имени Наконец Берцелиус получил неуловимый кремний. Он прореагировал кремнием тетрафторид с металлическим калием и химически восстановил его от его состав чтобы впервые получить элемент кремний.

SiF ₄ + 4K —> 4KF + Si

Более чем в десять тысяч раз более редким, чем кремний, существование галлий и германий даже не подозревался, пока таблица элементов было предложено Менделеева в 1868 году. В течение двух десятилетий открытие и характеристика из этих элементов ясно показали, что таблица Менделеева является инструментом, не только для запись химической информации, а также для прогнозирования результатов химического исследовать.Наконец, эти же два элемента вместе с кремний, который предоставил полигон для исследования полупроводников несколько десятилетия спустя.

Согласно очень общим тенденциям свойств на периодической стол, это может быть продемонстрировали, что элементы приобретают металлический характер, когда собираться в слева от точки (строки) или вниз по семейству (столбец). Таким образом было бы ожидал что самые металлические элементы будут находиться в нижнем левом углу угол стол и наименее металлический в правом верхнем углу.Это сделано довольно очевидно, отображая иллюстрированную таблицу Менделеева. Существует постепенный переход свойств с металлических на неметаллические при переходе к право через период и до семьи. Линия разделения обычно размещен на стол в виде лестничного узора с элементами падающий на сторона этой линии слабо классифицируется как полупроводники. Видеть Рисунок 8.

Рисунок 8: Периодическая таблица элементов.Элементы к слева от жирная линия — металлы, а справа — неметаллы. Выделенные элементы являются элементарными полупроводниками или используются в составе полупроводники.

В центре репрезентативных элементов IV группы (углерод семья) элементы были обнаружены некоторые очень важные свойства, которые средний между металлическим и неметаллическим. Возможно, имеет наибольшее значение это характеристика полупроводника.Исключая свинец (и олово ниже его температура перехода), все остальные элементы в семействе могут иметь их атомы расположены так же, как и в алмазе (чистый углерод). В этом форма, углерод обладает очень высоким сопротивлением потоку электричества; таким образом это может считается плохим проводником и классифицируется как электрический изолятор. С другой стороны, олово в его обычном кристаллическом расположении на комната температура, имеет относительно низкое сопротивление потоку электричество; таким образом это достаточно хороший электрический проводник, когда он металлическая форма.Однако олово имеет температуру перехода, выше которой кристалл алмаза структура и гораздо более плохой проводник. И чистый кремний, и чистый германий ведут себя как идеальные изоляторы при абсолютном нуле (-273 C), но при умеренном температуры их сопротивление потоку электричества уменьшается измеримо. Так как они никогда не становятся хорошими дирижерами, они классифицируются как электрические полупроводники.

При выборе полупроводникового материала для электронных приложений, ряд факторов необходимо учитывать.Первостепенное значение имеет собственная запрещенная зона размер (разница в энергии между валентностью и проводимостью) группы). Кроме того, обычные химические и физические свойства основной материал и его соединения также играют важную роль. Кремний имеет преимущество образует защитный поверхностный оксид при нагревании в кислороде. Кремний также формирует стабильные проводящие соединения со многими другими элементами, в том числе металлы, которые помочь произвести к нему стабильные электрические контакты.

Как и углерод, кремний имеет четыре электрона, которые можно использовать для связь, и это называется четырехвалентным. Кремний образует несколько соединений, которые аналогичны углеродным, например, силану (SiH ₄ ) соответствует метан (CH ₄ ), и тетрахлорид кремния с четыреххлористым углеродом. В этих соединения, оба углерод и кремний сосредоточены между четырьмя другими равномерно распределенный элементы, образующие тетраэдрическую геометрию молекулы.В своем расширенные соединения как силикаты в кварце, каждый атом кремния окружен четыре кислорода атомы в открытой тетраэдрической сетке. Когда кремний очищается в это элементарной формы, он имеет молекулярную геометрию, подобную алмазу где каждый Атом кремния окружен четырьмя другими атомами, которые окружены четыре и так в расширенной сети.

Материалы на основе арсенида галлия очень полезны в оптоэлектронике. потому что они позволяют высокоэффективное поглощение и излучение света.Будущее исследования будут сосредоточиться на максимальном использовании полезных свойств каждого из этих материалы смешивание и наслоение их для улучшения оптоэлектронной чувствительности, потребляемая мощность и скорость передачи сигнала.

Производство полупроводников состоит из двух основных этапов. схемы для компьютеры и другие электронные устройства, рост и производство. Во-первых, это необходимо для выращивания почти идеальных кристаллов полупроводника материал, который нарезаются на тонкие плоские диски, называемые вафлями.Второй шаг, устройство изготовление, включает в себя формирование схем, травление или депонирование компоненты схемы на пластине, а затем секционирование большего вафли в куски меньшего размера, называемые штампами. Изготовление устройств может иногда задействовать более ста шагов.

Рост кристалла:

Выращиваются крупные монокристаллы полупроводников (Si и GaAs). из расплава используя технику Чохральского.Сырье (чистое, как возможно) помещают в тигель и нагревают до температуры выше его плавления точка. А затравочный кристалл помещается в расплавленный полупроводник и извлекается. медленно в вращающаяся мода. Этот метод можно использовать для выращивания кристаллов как большой как двенадцать дюймов в диаметре. Конечный кристалл имеет цилиндрическую форму и должен быть разрезан на тонкие диски с помощью алмазной пилы. Эти вафли затем отполированный с использованием зерен из очень твердых и мелких частиц, таких как кремнезем (SiO ₂ ).Из-за характер процесса затвердевания, окончательный твердый полупроводник чище чем сырье, которое было использовано для его производства. См. Рисунок 9.

Рисунок 9: Техника Чохральского для выращивания одиночных кристалл полупроводники.

Изготовление схемы:

После того, как полупроводниковые пластины достаточной чистоты были изготовлено, схема элементы необходимо размещать на поверхности. Добавлены элементы схемы к пластина с использованием травления или осаждения.Пример использования травление в изготовление схемы было бы травлением нескольких тысяч Ангстремы (10 ^-8 см) полупроводника между каждым устройством, эффективно изоляция устройств друг от друга. Потому что маленькие столовые сформированный как Результат этого процесса называется мезоизоляцией. Большинство схем элементы однако они осаждаются, имплантируются или выращиваются на поверхности. Эти может включать изоляторы (например, SiO ₂ выращивают при изготовлении полевых МОП-транзисторов) или металлы (например,грамм.. Алюминий наносится для подключения устройств к микросхеме.) Допанты могут быть имплантировали на поверхность пластины и позволяли диффундировать в материал нагревая его. И травление, и осаждение требуют процесса, называемого фотолитография. На рисунке 9 показан типичный процесс фотолитографии. используется для мезы изоляции, а на рисунке 10 показано осаждение металла. После многих на пластине сформированы устройства, они разделены на отдельные фишки с помощью процесса секционирования.

Рисунок 10: Типичный процесс фотолитографии для изоляции устройства на микросхеме. На этапе А тонкий слой светочувствительного полимер помещается на чип. На этапе B свет выборочно освещает часть полимер. Неэкспонированная часть снимается в проявке. процесс на этапе C. незащищенная поверхность чипа стравливается в химический процесс в шаге D. Наконец, на этапе E, оставшийся полимер удаляется, оставив месу нетравленный полупроводник, окруженный протравленной областью.

Рисунок 11: Нанесение металла на полупроводник. По шагам A и B, Чип покрыт светочувствительным полимером и светом обнажает полимер в область, в которой металл должен быть помещен на микросхему. В шаг C, открытая область удаляется в процессе, называемом развивается. Металл покрывает поверхность на этапе D. Это делается путем испарения металла и позволяя пар конденсироваться на поверхности полупроводника.Когда оставшийся полимер удаляется на этапе E, металл остается только в области незащищенный полимер.

Обзор полупроводников:

Полупроводниковые приборы теперь ежедневно влияют на нашу жизнь. Несмотря на то что изоляторы и проводники полезны сами по себе, полупроводники, такие поскольку кремний и арсенид галлия кардинально изменили способ в котором миллиарды людей живут. Их промежуточная способность проводить электричество в комнатная температура делает их очень полезными для электронных Приложения.Для Например, современная компьютерная индустрия стала возможной благодаря способность кремниевые транзисторы для работы в качестве быстрых переключателей включения / выключения.

У всех материалов есть энергетические зоны, в которых могут существовать их электроны. В металлах, валентная зона частично заполнена, и электроны могут двигаться сквозь материал. Однако в полупроводниках существует запрещенная зона, которая существует, и электроны не могут легко перепрыгнуть через зазор при низких температурах. В выше температуры, большее количество электронов полупроводника может перепрыгнуть через зазор; И его соответственно повышается проводимость.Электрические свойства также могут быть измененным легирование (добавление примесей к полупроводниковому материалу). Этот тоже является одним из их большие активы.

Добавление примесей в полупроводниковый материал может привести к двум другой типы электрического поведения. Это так называемые n (отрицательные) и р материалы (позитивного) типа. Элементы группы V, такие как мышьяк, добавлены в кремний или германий производит n-тип за счет своего дополнительного валентного электрона.III группа материалы, такие как бор, производят p-тип, поскольку они имеют только три валентность электроны. Когда материал n-типа соединен с p-типом материал, устройство демонстрирует поведение диода. То есть ток может течь в одном направление через интерфейс, но не в другом.

Диоды не только действуют как выпрямители, они также привели к развитие транзистор. Биполярный переходной транзистор (BJT) — это диод с в третьих добавлен материал для создания второго интерфейса.Либо npn, либо pnp типы существуют, но их основная работа по сути такая же, как у двух диодов подключен к друг с другом. Правильное смещение напряжений на каждом диод устройство может допускать большое усиление тока. Сегодня металл окись полупроводниковые полевые транзисторы (MOSFETS) заменили BJT во многих Приложения. Теперь миллионы транзисторов можно разместить на одиночный кремний микросхема или интегральная схема. Эти микросхемы IC более надежны и потреблять меньше мощности, чем большие схемы на электронных лампах прошлого.

Производство электронных устройств состоит из двух основных этапов. из сырых материалы. Сначала полупроводник расплавляется и затравочный кристалл используется, чтобы возьмите большой кристалл чистого твердого полупроводника из жидкость. Вафли полупроводник нарезается и полируется. Далее схема узор вытравлен или нанесены с использованием фотолитографического процесса. Наконец, отдельные фишки отделены от оригинальной пластины.

Скорость электронных вычислений также значительно увеличилась с появлением интегрированный схема. Время цикла современных компьютеров теперь измеряется в наносекунды. Оптоэлектронные (лазерные диоды) исследования расширяют уже существующие огромная ставка на какая информация может быть передана. В общем, полупроводники продолжать продвигать технический прогресс в 21 век.

Следующая тема: Ссылки

Полупроводники Содержание

MAST Home Page

Semiconductor — New World Encyclopedia

A Semiconductor представляет собой твердое тело, электрическую проводимость которого можно регулировать в широком диапазоне, постоянно или динамически.Полупроводники имеют огромное технологическое и экономическое значение. Полупроводники являются незаменимыми материалами во всех современных электрических устройствах, от компьютеров до сотовых телефонов и цифровых аудиоплееров. Кремний является наиболее важным с коммерческой точки зрения полупроводником, хотя важны и десятки других.

Полупроводниковые устройства — это электронные компоненты, в которых используются электронные свойства полупроводниковых материалов, в основном кремния, германия и арсенида галлия.Полупроводниковые устройства заменили термоэлектронные устройства (вакуумные лампы) в большинстве приложений. Они используют электронную проводимость в твердом состоянии, в отличие от газообразного состояния или термоэлектронной эмиссии в высоком вакууме.

Полупроводниковые устройства производятся в виде отдельных дискретных устройств или интегральных схем (ИС), которые состоят из ряда — от нескольких устройств до миллионов — устройств, изготовленных на одной полупроводниковой подложке.

Обзор полупроводников

Полупроводники очень похожи на изоляторы.Две категории твердых тел различаются в первую очередь тем, что изоляторы имеют большую ширину запрещенной зоны — энергии, которые электроны должны приобретать, чтобы свободно течь. В полупроводниках при комнатной температуре, как и в изоляторах, очень немногие электроны получают достаточно тепловой энергии, чтобы перепрыгнуть через запрещенную зону, необходимую для проводимости. По этой причине чистые полупроводники и изоляторы в отсутствие приложенных полей имеют примерно одинаковые электрические свойства. Однако меньшая ширина запрещенной зоны полупроводников позволяет использовать многие другие средства, помимо температуры, для управления их электрическими свойствами.

Собственные электрические свойства полупроводников очень часто необратимо изменяются за счет введения примесей в процессе, известном как легирование. Обычно разумно предположить, что каждый примесный атом добавляет один электрон или одну «дырку» (концепция будет обсуждена позже), которые могут свободно течь. При добавлении достаточно большой доли легирующих примесей полупроводники проводят электричество почти так же хорошо, как металлы. Переходы между областями полупроводников, легированных различными примесями, содержат встроенные электрические поля, которые имеют решающее значение для работы полупроводникового прибора.

В дополнение к постоянному изменению путем легирования электрические свойства полупроводников часто динамически изменяются путем приложения электрических полей. Возможность управлять проводимостью в небольших и четко определенных областях полупроводникового материала статически за счет легирования и динамически за счет приложения электрических полей привела к разработке широкого спектра полупроводниковых устройств, таких как транзисторы. Полупроводниковые устройства с динамически регулируемой проводимостью являются строительными блоками интегральных схем, таких как микропроцессор.Эти «активные» полупроводниковые устройства комбинируются с более простыми пассивными компонентами, такими как полупроводниковые конденсаторы и резисторы, для производства различных электронных устройств.

В некоторых полупроводниках, когда электроны попадают из зоны проводимости в валентную зону (уровни энергии выше и ниже запрещенной зоны), они часто излучают свет. Этот процесс фотоэмиссии лежит в основе светоизлучающих диодов (LED) и полупроводниковых лазеров, которые имеют огромное коммерческое значение.И наоборот, полупроводниковое поглощение света в фотодетекторах возбуждает электроны из валентной зоны в зону проводимости, облегчая прием оптоволоконной связи и обеспечивая основу для получения энергии от солнечных элементов.

Полупроводники могут быть элементарными материалами, такими как кремний, полупроводниковыми соединениями , такими как арсенид галлия, или сплавами, такими как кремний-германий или арсенид алюминия-галлия.

История развития полупроводниковых приборов

1900-е годы

Полупроводники использовались в области электроники за некоторое время до изобретения транзистора.Примерно на рубеже двадцатого века они были довольно распространены в качестве детекторов в радиоприемниках, использовавшихся в устройстве, называемом «кошачий ус». Однако эти детекторы были несколько неудобными: оператору приходилось перемещать небольшую вольфрамовую нить (ус) по поверхности кристалла галенита (сульфида свинца) или карборунда (карбида кремния) до тех пор, пока она внезапно не заработала. Затем, в течение нескольких часов или дней, усы кошки медленно переставали работать, и процесс приходилось повторять.В то время их работа была совершенно загадочной. После появления более надежных радиоприемников с усилителями на электронных лампах системы кошачьих усов быстро исчезли. «Кошачий ус» — это примитивный пример диода особого типа, популярного до сих пор, под названием диод Шоттки.

Вторая мировая война

Во время Второй мировой войны радиолокационные исследования быстро подтолкнули радиолокационные приемники к работе на все более высоких частотах, и традиционные ламповые радиоприемники перестали работать.Внедрение магнетрона резонатора из Великобритании в США в 1940 году во время миссии Тиззард привело к острой необходимости в практическом высокочастотном усилителе.

По прихоти Рассел Ол из Bell Laboratories решил попробовать кошачий ус. К этому моменту они не использовались в течение нескольких лет, и ни у кого в лабораториях их не было. После охоты на одну из них в магазине подержанных радиоприемников на Манхэттене он обнаружил, что она работает намного лучше, чем системы на основе ламп.

Оль исследовал, почему кошачий усик так хорошо функционирует.Большую часть 1939 года он провел, пытаясь вырастить более чистые версии кристаллов. Вскоре он обнаружил, что с кристаллами более высокого качества их привередливость исчезла, но исчезла и их способность работать в качестве радиодетекторов. Однажды он обнаружил, что один из его чистейших кристаллов, тем не менее, работал хорошо, и что интересно, у него была хорошо заметная трещина посередине. Однако, когда он ходил по комнате, пытаясь проверить это, детектор загадочным образом срабатывал, а затем снова останавливался. После некоторого исследования он обнаружил, что поведение контролируется светом в комнате — чем больше света, тем выше проводимость кристалла.Он пригласил еще нескольких человек посмотреть на этот кристалл, и Уолтер Браттейн сразу понял, что в трещине есть какое-то соединение.

Дальнейшие исследования раскрыли оставшуюся тайну. Кристалл треснул, потому что обе стороны содержали очень немного разные количества примесей, которые Ohl не мог удалить — около 0,2%. На одной стороне кристалла были примеси, которые добавляли дополнительные электроны (носители электрического тока) и делали его «проводником». В другом были примеси, которые хотели связываться с этими электронами, делая его (то, что он называл) «изолятором».«Поскольку две части кристалла находились в контакте друг с другом, электроны можно было вытолкнуть из проводящей стороны, на которой были дополнительные электроны (скоро будет известен как эмиттер ), и заменить их новыми (из аккумуляторной батареи, например), где они будут течь в изолирующую часть и собираться нитевидным волокном (названным коллектором ). Однако, когда напряжение меняется на противоположное, электроны, проталкиваемые в коллектор, быстро заполняют «дыры» (примеси, нуждающиеся в электронах), и проводимость прекратилась бы почти мгновенно.Это соединение двух кристаллов (или частей одного кристалла) привело к созданию твердотельного диода, и вскоре эта концепция стала известна как полупроводниковая. Механизм действия при выключенном диоде связан с разделением носителей заряда вокруг перехода. Это называется «областью истощения».

Разработка диода

Вооружившись знаниями о том, как работают эти новые диоды, были предприняты энергичные усилия, чтобы научиться создавать их по запросу. Команды из Университета Пердью, Bell Labs, Массачусетского технологического института и Чикагского университета объединили свои усилия для создания лучших кристаллов.В течение года производство германия было усовершенствовано до такой степени, что диоды военного класса использовались в большинстве радаров.

Разработка транзистора

После войны Уильям Шокли решил попытаться построить полупроводниковый прибор типа триода. Он обеспечил финансирование и лабораторные помещения, и вместе с Браттейном и Джоном Бардином приступил к работе над проблемой.

Ключом к развитию транзистора было дальнейшее понимание процесса подвижности электронов в полупроводнике.Стало понятно, что если бы существовал способ контролировать поток электронов от эмиттера к коллектору этого недавно открытого диода, можно было бы построить усилитель. Например, если вы разместите контакты по обе стороны от кристалла одного типа, ток не будет течь через него. Однако, если бы третий контакт мог затем «впрыснуть» электроны или дырки в материал, ток потек бы.

На самом деле это оказалось очень сложно. Если бы кристалл имел какой-либо разумный размер, количество электронов (или дырок), необходимых для инжекции, было бы очень большим, что делало бы его менее полезным в качестве усилителя, поскольку для начала потребовался бы большой ток инжекции.Тем не менее, вся идея кристаллического диода заключалась в том, что сам кристалл мог обеспечивать электроны на очень маленьком расстоянии, в области обеднения. Ключевым моментом оказалось размещение входных и выходных контактов очень близко друг к другу на поверхности кристалла по обе стороны от этой области.

Браттейн начал работу над созданием такого устройства, и по мере того, как команда работала над проблемой, продолжали появляться дразнящие намеки на усиление. Иногда система работала, но затем неожиданно перестала работать.В одном случае неработающая система начала работать, когда ее поместили в воду. В конце концов, Ол и Браттейн разработали новую ветвь квантовой механики, известную как физика поверхности, для объяснения этого поведения. Электроны в любой части кристалла будут перемещаться из-за близлежащих зарядов. Электроны в эмиттерах или «дырках» в коллекторах будут сгруппироваться на поверхности кристалла, где они смогут найти свой противоположный заряд, «плавающий» в воздухе (или воде). Тем не менее, их можно было оттолкнуть от поверхности с приложением небольшого заряда из любого другого места на кристалле.Вместо того, чтобы нуждаться в большом количестве инжектированных электронов, очень небольшое количество электронов в нужном месте кристалла дало бы то же самое.

Их понимание в некоторой степени решило проблему необходимости в очень маленькой зоне контроля. Вместо двух отдельных полупроводников, соединенных общей, но крошечной областью, могла бы служить одна большая поверхность. Выводы эмиттера и коллектора должны быть расположены очень близко друг к другу наверху, а контрольный вывод размещен на основании кристалла.Когда ток подавался на «базовый» вывод, электроны или дырки выталкивались наружу через блок полупроводника и собирались на дальней поверхности. Пока эмиттер и коллектор находятся очень близко друг к другу, между ними должно быть достаточно электронов или дырок, чтобы появилась проводимость.

Первый транзистор

Стилизованная копия первого транзистора, изобретенного в Bell Labs в 1947 году.

Команда Bell сделала много попыток построить такую ​​систему с помощью различных инструментов, но в целом безуспешно.Установки, в которых контакты были достаточно близки, неизменно были такими же хрупкими, как оригинальные детекторы кошачьих усов, и работали бы недолго, если вообще работали. В конце концов они совершили практический прорыв. К краю пластикового клина приклеивали кусок золотой фольги, а затем фольгу срезали бритвой по кончику треугольника. Результатом стали два очень близко расположенных золотых контакта. Когда пластик прижимался к поверхности кристалла и напряжение прикладывалось к другой стороне (на основании кристалла), ток начинал течь от одного контакта к другому, поскольку базовое напряжение отталкивало электроны от основания в направлении другая сторона возле контактов.Был изобретен точечный транзистор.

Хотя устройство было сконструировано неделей ранее, в примечаниях Браттейна описывается первая демонстрация вышестоящим руководителям в Bell Labs днем ​​23 декабря 1947 года, часто называемая датой рождения транзистора. «Точечно-контактный германиевый транзистор PNP» работал в качестве усилителя речи с коэффициентом усиления 18 в этом испытании. Джон Бардин, Уолтер Хаузер Браттейн и Уильям Брэдфорд Шокли, известный сегодня как точечный транзистор, были удостоены Нобелевской премии по физике за свою работу в 1956 году.

Происхождение термина «транзистор»

Bell Telephone Laboratories требовалось общее название для своего нового изобретения: «Полупроводниковый триод», «Твердый триод», «Триод с поверхностными состояниями» [sic], «Кристаллический триод» и «Иотатрон» все рассматривались, но были придуманы «транзистор». Джона Р. Пирса, победил во внутреннем голосовании. Обоснование названия описано в следующем отрывке из Технического меморандума компании (28 мая 1948 г.) [26], призывающего к голосованию:

Транзистор.Это сокращенная комбинация слов «крутизна» или «передача» и «варистор». Устройство логически относится к семейству варисторов и имеет крутизну или передаточный импеданс устройства с усилением, так что эта комбинация является описательной.

Улучшения в конструкции транзисторов

Шокли был расстроен из-за того, что устройство было приписано Браттейну и Бардину, которые, по его мнению, построили его «за спиной», чтобы получить славу. Ситуация усугубилась, когда юристы Bell Labs обнаружили, что некоторые из собственных работ Шокли о транзисторе были достаточно близки к более раннему патенту 1925 года, выданному Юлиусом Эдгаром Лилиенфельдом, что они сочли целесообразным не указывать его имя в заявке на патент.

Шокли был в ярости и решил продемонстрировать, кто был настоящим мозгом операции. Всего через несколько месяцев он изобрел транзистор совершенно нового типа со слоистой структурой. Эта новая форма была значительно более надежной, чем хрупкая система с точечным контактом, и в 60-х годах она использовалась для подавляющего большинства всех транзисторов. Он превратился в транзистор с биполярным переходом.

После решения проблем хрупкости осталась проблема чистоты.Получение германия необходимой чистоты оказалось серьезной проблемой и ограничивало количество транзисторов, которые фактически работали из данной партии материала. Чувствительность германия к температуре также ограничивала его полезность. Ученые предположили, что кремний будет легче изготовить, но мало кто удосужился исследовать эту возможность. Гордон Тил был первым, кто разработал работающий кремниевый транзистор, а его компания, зарождающаяся Texas Instruments, извлекла выгоду из его технологических преимуществ.К концу 1960-х годов германий исчез из большинства транзисторов.

В течение нескольких лет на рынке появились продукты на основе транзисторов, в первую очередь радиоприемники. Значительное улучшение производительности произошло, когда химик посоветовал компаниям, производящим полупроводники, использовать дистиллированную воду, а не воду из-под крана: ионы кальция были причиной низкого выхода. «Зонная плавка», метод, использующий движущуюся полосу расплавленного материала через кристалл, еще больше повысил чистоту имеющихся кристаллов.

Материалы для полупроводниковых приборов

Безусловно, кремний (Si) является наиболее широко используемым материалом в полупроводниковых устройствах. Сочетание низкой стоимости сырья, относительно простой обработки и полезного температурного диапазона делает его в настоящее время лучшим компромиссом среди различных конкурирующих материалов. Кремний, используемый в производстве полупроводниковых приборов, в настоящее время изготавливается в виде булей, диаметр которых достаточно велик для изготовления пластин диаметром 300 мм (12 дюймов).

Германий (Ge) был широко используемым ранним полупроводниковым материалом, но его тепловая чувствительность делает его менее полезным, чем кремний.Сегодня германий часто легируют кремнием для использования в высокоскоростных устройствах SiGe; IBM — крупный производитель таких устройств.

Арсенид галлия (GaAs) также широко используется в высокоскоростных устройствах, но до сих пор было трудно формировать були большого диаметра из этого материала, ограничивая диаметр пластины до размеров, значительно меньших, чем кремниевые пластины, что привело к массовому производству Устройства на основе GaAs значительно дороже кремния.

Другие менее распространенные материалы также используются или исследуются.

Карбид кремния (SiC) нашел некоторое применение в качестве сырья для синих светодиодов (LED) и исследуется для использования в полупроводниковых устройствах, которые могут выдерживать очень высокие рабочие температуры и среды со значительными уровнями ионизации. радиация. Диоды IMPATT также изготавливаются из SiC.

Различные соединения индия (арсенид индия, антимонид индия и фосфид индия) также используются в светодиодах и твердотельных лазерных диодах.Сульфид селена изучается при производстве фотоэлектрических солнечных элементов.

Получение полупроводниковых материалов

Полупроводники с предсказуемыми и надежными электронными свойствами необходимы для массового производства. Требуемый уровень химической чистоты чрезвычайно высок, поскольку присутствие примесей даже в очень малых количествах может иметь большое влияние на свойства материала. Также требуется высокая степень кристаллического совершенства, поскольку дефекты кристаллической структуры (такие как дислокации, двойники и дефекты упаковки) влияют на полупроводниковые свойства материала.Кристаллические дефекты являются основной причиной неисправных полупроводниковых устройств. Чем больше кристалл, тем труднее достичь необходимого совершенства. В современных процессах массового производства используются кристаллические слитки диаметром от четырех до двенадцати дюймов (300 мм), которые выращиваются в виде цилиндров и нарезаются на пластины.

Из-за требуемого уровня химической чистоты и совершенства кристаллической структуры, необходимых для изготовления полупроводниковых устройств, были разработаны специальные методы для производства исходного полупроводникового материала.Техника достижения высокой чистоты включает выращивание кристалла с использованием процесса Чохральского. Дополнительный этап, который можно использовать для дальнейшего повышения чистоты, известен как зонная очистка. При зонном рафинировании часть твердого кристалла плавится. Примеси имеют тенденцию концентрироваться в области плавления, в то время как требуемый материал перекристаллизуется, оставляя твердый материал более чистым и с меньшим количеством кристаллических дефектов.

При производстве полупроводниковых устройств, включающих гетеропереходы между различными полупроводниковыми материалами, постоянная решетки, которая представляет собой длину повторяющегося элемента кристаллической структуры, важна для определения совместимости материалов.

Основы полупроводниковых приборов

Основная причина того, что полупроводниковые материалы так полезны, заключается в том, что поведением полупроводника можно легко управлять путем добавления примесей, известного как легирование. Проводимость полупроводника можно контролировать путем введения электрического поля, воздействия света и даже давления и тепла; таким образом, из полупроводников можно сделать отличные датчики. Токопроводимость в полупроводнике происходит через подвижные или «свободные» электронов и дырок (вместе известных как носителей заряда ).Легирование полупроводника, такого как кремний, небольшим количеством примесных атомов, таких как фосфор или бор, значительно увеличивает количество свободных электронов или дырок в полупроводнике. Когда легированный полупроводник содержит избыточные дырки, он называется «p-типом», а когда он содержит избыточные свободные электроны, он известен как «n-тип». Полупроводниковый материал, используемый в устройствах, легируется в строго контролируемых условиях на производственном предприятии, или fab , для точного контроля местоположения и концентрации легирующих примесей p- и n-типа.Переходы, которые образуются там, где соединяются полупроводники n-типа и p-типа, называются p-n переходами.

Диод

Диод с p-n переходом представляет собой устройство, изготовленное на основе p-n перехода. На стыке полупроводников p-типа и n-типа образуется область, называемая зоной обеднения, которая блокирует прохождение тока из области n-типа в область p-типа, но позволяет току проходить из области p-типа. в область n-типа. Таким образом, когда устройство смещено в прямом направлении , с p-стороной под более высоким электрическим потенциалом, диод легко проводит ток; но ток очень мал, когда диод смещен в обратном направлении .

Воздействие света на полупроводник может привести к образованию электронно-дырочных пар, что увеличивает количество свободных носителей и его проводимость. Диоды, оптимизированные для использования этого явления, известны как фотодиоды . Составные полупроводниковые диоды также могут использоваться для генерации света, например, в светодиодах и лазерных диодах.

Транзистор

Два МОП-транзистора с общим затвором (металлические слои и диэлектрик удалены для наглядности).

Транзисторы с биполярным переходом состоят из двух p-n-переходов в конфигурации n-p-n или p-n-p.Средняя или основание , область между переходами обычно очень узкая. Другие области и связанные с ними клеммы известны как эмиттер и коллектор . Небольшой ток, вводимый через соединение между базой и эмиттером, изменяет свойства перехода база-коллектор, так что он может проводить ток, даже если он смещен в обратном направлении. Это создает гораздо больший ток между коллектором и эмиттером, управляемый током база-эмиттер.

Другой тип транзистора, полевой транзистор, работает по принципу, согласно которому проводимость полупроводника может увеличиваться или уменьшаться в присутствии электрического поля. Электрическое поле может увеличивать количество свободных электронов и дырок в полупроводнике, тем самым изменяя его проводимость. Поле может быть приложено с помощью p-n-перехода с обратным смещением, образуя полевой транзистор с переходом или JFET; или электродом, изолированным от основного материала оксидным слоем, образующим полевой транзистор металл-оксид-полупроводник , или полевой МОП-транзистор.

Поперечное сечение МОП-транзистора (металлические слои и диэлектрик удалены для ясности), на переднем плане.

MOSFET — наиболее часто используемый полупроводниковый прибор на сегодняшний день. Электрод затвора заряжается для создания электрического поля, которое регулирует проводимость «канала» между двумя выводами, называемого истоком и стоком . В зависимости от типа носителя в канале устройство может быть полевым МОП-транзистором с n-каналом , (для электронов) или p-каналом (для дырок).Хотя MOSFET частично назван из-за его «металлического» затвора, в современных устройствах вместо него обычно используется поликремний.

Применение полупроводниковых приборов

Все типы транзисторов могут использоваться в качестве строительных блоков логических вентилей, которые являются фундаментальными при проектировании цифровых схем. В цифровых схемах, таких как микропроцессоры, транзисторы действуют как двухпозиционные переключатели; Например, в полевом МОП-транзисторе напряжение, приложенное к затвору, определяет, включен или выключен переключатель.

Транзисторы, используемые для аналоговых схем, не действуют как двухпозиционные переключатели; скорее, они реагируют на непрерывный диапазон входных данных с непрерывным диапазоном выходных данных.Общие аналоговые схемы включают усилители и генераторы.

Цепи, которые обеспечивают интерфейс или преобразование между цифровыми и аналоговыми схемами, известны как схемы со смешанными сигналами.

Силовые полупроводниковые устройства — это дискретные устройства или интегральные схемы, предназначенные для приложений с высоким током или высоким напряжением. Силовые интегральные схемы сочетают в себе технологию ИС с технологией силовых полупроводников, их иногда называют «интеллектуальными» силовыми устройствами. Несколько компаний специализируются на производстве силовых полупроводников.

Идентификаторы компонентов

Обозначения типа полупроводниковых приборов часто зависят от производителя. Тем не менее, были попытки создать стандарты для кодов типов, и некоторые устройства им следуют. Например, для дискретных устройств существует три стандарта: JEDEC JESD370B в США, Pro Electron в Европе и JIS в Японии.

Физика полупроводников

Ленточная структура

Зонная структура полупроводника с полной валентной зоной и пустой зоной проводимости.

Подобно другим твердым телам, электроны в полупроводниках могут иметь энергии только в определенных диапазонах между энергией основного состояния, соответствующей электронам, прочно связанным с атомными ядрами материала, и энергией свободных электронов, которая является энергией, необходимой для электрон, чтобы полностью покинуть материал. Каждая энергетическая зона соответствует большому количеству дискретных квантовых состояний электронов, и большинство состояний с низкой энергией заполнены до определенной зоны, называемой валентной зоной .Полупроводники и изоляторы отличаются от металлов, потому что валентная зона в первых материалах почти заполнена при нормальных условиях.

Легкость, с которой электроны в полупроводнике могут быть возбуждены из валентной зоны в зону проводимости, зависит от ширины запрещенной зоны между зонами, и именно размер этой запрещенной зоны служит произвольной разделительной линией (примерно 4 эВ ) между полупроводниками и изоляторами.

Электроны должны перемещаться между состояниями, чтобы проводить электрический ток, и поэтому из-за принципа исключения Паули полные зоны не влияют на электрическую проводимость.Однако по мере того, как температура полупроводника поднимается выше абсолютного нуля, состояния электронов становятся все более рандомизированными или размытыми, и некоторые электроны, вероятно, будут обнаружены в состояниях зоны проводимости , которая является зоной непосредственно над зоной проводимости. валентная полоса. Электроны с током в зоне проводимости известны как «свободные электроны», хотя их часто называют просто «электронами», если контекст позволяет прояснить это использование.

Электроны, возбужденные в зону проводимости, также оставляют электронные дырки или незанятые состояния в валентной зоне.И электроны зоны проводимости, и дырки валентной зоны вносят свой вклад в электрическую проводимость. Сами дырки на самом деле не перемещаются, но соседний электрон может двигаться, чтобы заполнить дыру, оставляя дыру в том месте, откуда он только что появился, и таким образом кажется, что дырки движутся, и дырки ведут себя так, как если бы они были реальные положительно заряженные частицы.

Это поведение также можно рассматривать в отношении химического связывания. Электроны, которые имеют достаточно энергии, чтобы находиться в зоне проводимости, освободились от ковалентных связей между соседними атомами в твердом теле и могут свободно перемещаться и, следовательно, проводить заряд.

Важное различие между проводниками и полупроводниками состоит в том, что в полупроводниках перемещению заряда (тока) способствуют как электроны, так и дырки. Сравните это с проводником, в котором уровень Ферми находится на в пределах зоны проводимости, так что зона заполнена электронами только наполовину. В этом случае электронам требуется лишь небольшое количество энергии, чтобы найти другие незанятые состояния и перейти в них, и, следовательно, для протекания тока.

Генерация и рекомбинация носителей

Когда ионизирующее излучение попадает на полупроводник, оно может вывести электрон из своего энергетического уровня и, следовательно, оставить дыру.Этот процесс известен как генерация электронно-дырочных пар . Электронно-дырочные пары также постоянно генерируются за счет тепловой энергии при отсутствии какого-либо внешнего источника энергии.

Электронно-дырочные пары также склонны к рекомбинации. Сохранение энергии требует, чтобы эти процессы рекомбинации, в которых электрон теряет энергию, превышающую ширину запрещенной зоны, сопровождались испусканием тепловой энергии (в форме фононов) или излучения (в форме фотонов).

Допинг

Свойство полупроводников, которое делает их наиболее полезными для создания электронных устройств, заключается в том, что их проводимость может быть легко изменена путем введения примесей в их кристаллическую решетку. Процесс добавления контролируемых примесей в полупроводник известен как легирование . Количество примеси или легирующей примеси, добавленной к собственному полупроводнику (чистый) , изменяет его уровень проводимости. Легированные полупроводники часто упоминаются как , внешние .

Добавки

Материалы, выбранные в качестве подходящих легирующих добавок, зависят от атомных свойств как легирующей добавки, так и легируемого материала. В общем, легирующие добавки, которые вызывают желаемые контролируемые изменения, классифицируются как акцепторы электронов или доноры. Донорный атом, который активируется (то есть включается в кристаллическую решетку), отдает материалу слабосвязанные валентные электроны, создавая избыточные носители отрицательного заряда. Эти слабосвязанные электроны могут относительно свободно перемещаться по кристаллической решетке и могут способствовать проводимости в присутствии электрического поля.И наоборот, активированный акцептор производит дырку. Полупроводники, легированные донорными примесями, называются n-типа , а полупроводники, легированные акцепторными примесями, известны как p-типа . Обозначения типа n и p указывают, какой носитель заряда действует как основной носитель материала. Противоположный носитель называется неосновным носителем, который существует из-за теплового возбуждения при гораздо более низкой концентрации по сравнению с основным носителем.

Например, чистый полупроводниковый кремний имеет четыре валентных электрона.В кремнии наиболее распространенными легирующими добавками являются элементы группы 13 IUPAC (обычно известной как , столбец III, ) и группы 15 (обычно известной как , столбец V, ). Все элементы группы 13 содержат три валентных электрона, что заставляет их действовать как акцепторы при использовании для легирования кремния. Элементы 15-й группы имеют пять валентных электронов, что позволяет им действовать как донор. Следовательно, кристалл кремния, легированный бором, создает полупроводник p-типа, тогда как кристалл, легированный фосфором, дает материал n-типа.

Концентрация носителя

Концентрация примеси, введенной в собственный полупроводник, определяет его концентрацию и косвенно влияет на многие из его электрических свойств. Наиболее важным фактором, на который напрямую влияет легирование, является концентрация носителей в материале. В собственном полупроводнике при тепловом равновесии концентрация электронов и дырок эквивалентна. То есть,

n = p = ni {\ displaystyle n = p = n_ {i}}

Где n {\ displaystyle n} — концентрация проводящих электронов, p {\ displaystyle p} — концентрация электронных дырок, а ni {\ displaystyle n_ {i}} — собственная концентрация носителей в материале.Концентрация собственных носителей различается в зависимости от материала и температуры. Например, ni {\ displaystyle n_ {i}} кремния составляет примерно 1 × 10 ¹⁰ см ^-3 при 300 кельвинах (комнатная температура).

Как правило, увеличение концентрации легирования приводит к увеличению проводимости из-за более высокой концентрации носителей, доступных для проводимости. Вырожденно (очень сильно) легированные полупроводники имеют уровни проводимости, сравнимые с металлами, и часто используются в современных интегральных схемах в качестве замены металла.{-}} будет указывать на очень слабый легированный материал p-типа. Полезно отметить, что даже вырожденные уровни легирования подразумевают низкие концентрации примесей по сравнению с основным полупроводником. В собственном кристаллическом кремнии содержится примерно 5 × 10 ²² атомов / см3. Концентрация легирования для кремниевых полупроводников может варьироваться от 10 ¹³ см ^-3 до 10 ¹⁸ см ^-3 . Концентрация легирования выше примерно 10 ¹⁸ см ^-3 считается вырожденной при комнатной температуре.Вырожденно легированный кремний содержит долю примесей по отношению к кремнию порядка частей на тысячу. Эта доля может быть уменьшена до частей на миллиард в очень слаболегированном кремнии. Типичные значения концентрации попадают где-то в этот диапазон и адаптированы для обеспечения желаемых свойств в устройстве, для которого предназначен полупроводник.

Влияние на ленточную структуру

Зонная диаграмма перехода p ⁺ n . Изгиб ленты является результатом расположения уровней Ферми на сторонах p ⁺ и n .

Легирование кристалла полупроводника вводит разрешенные энергетические состояния внутри запрещенной зоны, но очень близко к энергетической зоне, соответствующей типу легирующей примеси. Другими словами, донорные примеси создают состояния вблизи зоны проводимости, а акцепторы создают состояния вблизи валентной зоны. Зазор между этими энергетическими состояниями и ближайшей энергетической зоной обычно называется энергией связи легирующих элементов или EB {\ displaystyle E_ {B}}, и он относительно невелик. Например, EB {\ displaystyle E_ {B}} для бора в объеме кремния равно 0.045 эВ по сравнению с шириной запрещенной зоны кремния около 1,12 эВ. Поскольку EB {\ displaystyle E_ {B}} настолько мал, требуется мало энергии для ионизации атомов примеси и создания свободных носителей в зоне проводимости или валентной зоне. Обычно тепловой энергии, доступной при комнатной температуре, достаточно для ионизации большей части легирующей примеси.

Легирующие примеси также обладают важным эффектом сдвига уровня Ферми материала в сторону энергетической зоны, которая соответствует легирующей примеси с наибольшей концентрацией. Поскольку уровень Ферми должен оставаться постоянным в системе, находящейся в термодинамическом равновесии, наложение слоев материалов с различными свойствами приводит ко многим полезным электрическим свойствам.Например, свойства p-n-перехода обусловлены изгибом энергетических зон, который происходит в результате выстраивания уровней Ферми в контактирующих областях материала p-типа и n-типа.

Этот эффект показан на полосовой диаграмме . Диаграмма зон обычно показывает изменение валентной зоны и краев зоны проводимости в зависимости от некоторого пространственного измерения, часто обозначаемого x . Энергия Ферми также обычно указывается на диаграмме. Иногда отображается собственная энергия Ферми , E _i , которая является уровнем Ферми в отсутствие легирования.Эти диаграммы полезны для объяснения работы многих типов полупроводниковых устройств.

Примеры распространенных полупроводниковых приборов

Ниже приведены некоторые примеры полупроводниковых устройств.

Двухконтактные устройства

Трехконтактные устройства

• Транзистор биполярный
• Транзистор Дарлингтона
• Полевой транзистор
• IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором)
• SCR (выпрямитель с кремниевым управлением)
• Тиристор
• Симистор
• Однопереходный транзистор

Четырехконтактные устройства

• Датчик Холла (датчик магнитного поля)

Многоконтактные устройства

См. Также

Ссылки

• Мюллер, Ричард С.и Теодор И. Каминс. 1986. Device Electronics for Integrated Circuits, 2d, New York: Wiley. ISBN 0471887587
• Сзе, Саймон М. * 1981. Физика полупроводниковых приборов (2-е изд.). John Wiley and Sons (WIE) .ISBN 0471056618
• Терли, Джим. 2002. Основное руководство по полупроводникам. Prentice Hall PTR.ISBN 013046404X
• Ю., Питер Ю., Мануэль Кардона. 2004. Основы полупроводников: физика и свойства материалов. Springer. ISBN 3540413235

Внешние ссылки

Все ссылки получены 2 ноября 2019 г.

---

Кредиты

Энциклопедия Нового Света писателей и редакторов переписали и завершили статью Википедия в соответствии со стандартами New World Encyclopedia . Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с указанием авторства. Кредит предоставляется в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на участников Энциклопедии Нового Света, участников, так и на самоотверженных добровольцев Фонда Викимедиа.Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних публикаций википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в энциклопедию Нового Света :

Примечание. Некоторые ограничения могут применяться к использованию отдельных изображений, на которые распространяется отдельная лицензия.

(PDF) Зонная структура и электропроводность в полупроводниках

на рисунке (2a). Полупроводник, в который введено легирование, таким образом изменив относительное количество и тип свободных носителей заряда

, называется примесным полупроводником.

(a) (b) (c)

Ec

Efi

Ev

E

c

Efn

v

E

E

c

E band

Валентная полоса

Рисунок 2: Диаграммы энергетических зон для (a) собственных, (b) n-типа и (c) p-типа полупроводников.

Ef — уровень энергии Ферми, а буквы i, n обозначают собственные материалы n и p-типа.

Ecand Evare края зоны проводимости и валентной зоны.

Внешний полупроводник, в котором электроны проводимости являются основными носителями, является полупроводником типа n-

, и его зонная диаграмма проиллюстрирована на рисунке (2b), на котором дырки

являются основными носителями заряда, является p- полупроводникового типа и обозначен на рисунке (2c).

В примесных полупроводниках, когда они действительно ведут себя во внешней области, концентрация легирующей примеси

Nd намного больше, чем у термически генерируемых электронно-дырочных пар ni, и

не зависит от температуры при комнатной температуре.

2 кв. Почему вводят легирование в полупроводники? Как это влияет на проводимость

полупроводника?

2.3 Повсеместная роль полупроводниковых устройств

Полупроводниковые устройства являются основой электронной промышленности. Большинство этих устройств

могут быть построены из набора строительных блоков. Первым строительным блоком является полупроводниковый интерфейс металл-

, как показано на рисунке (3a). Этот интерфейс можно использовать как выпрямительный контакт

, т.е.е., устройство пропускает ток в одном направлении, как при омическом контакте. Используя выпрямительный контакт

в качестве затвора, мы можем сформировать MESFET (полевой транзистор металл-полупроводник),

, важное микроволновое устройство.

Второй строительный блок — это соединение p-n, соединение материалов p-типа и n-типа

, показанное на рисунке (3b). P-n-переход является ключевым компонентом для многих полупроводниковых устройств

. Комбинируя два p-n перехода, мы можем сформировать биполярный транзистор p-n-p, а

, объединив три p-n перехода, чтобы сформировать структуру p-n-p-n, можно сформировать переключающее устройство, называемое тиристором

.

Третьим важным строительным блоком является интерфейс гетероперехода, изображенный на рисунке (3c).

Он образуется между двумя разнородными полупроводниками, например, арсенидом галлия (GaAs)

и арсенидом алюминия (AlAs), и используется в технике запрещенной зоны. Техника запрещенной зоны

— полезный метод для разработки новых полупроводниковых устройств и материалов. Гетеропереходы

и молекулярно-лучевая эпитаксия (МБЭ) являются наиболее важными методами, в которых требуется

4

Что такое полупроводники? определение, виды, отрасли.

Мы собираемся обсудить «полупроводник», простое, но важное и полезное вещество в области электроники.

Полупроводник представляет собой материал, обычно твердый химический элемент или соединение, которое может проводить электричество в определенных условиях, но не в других, что делает его отличной средой для управления потоком электрического тока. Полупроводник — это тип кристаллического твердого тела, который находится на полпути между проводником и изолятором с точки зрения электропроводности.

Изоляторы, полупроводники и проводники — это три основных типа твердотельных материалов. (При низких температурах некоторые проводники, полупроводники и изоляторы могут стать сверхпроводниками.) Проводимости (и соответствующие удельные сопротивления = 1 / σ), связанные с некоторыми важными материалами в каждой из трех групп, показаны на диаграмме, приведенной ниже. Изоляторы, такие как плавленый кварц и стекло, имеют низкую проводимость от 10 ⁻¹⁸ до 10 ⁻¹⁰ сименс на сантиметр, тогда как проводники, такие как алюминий, имеют высокую проводимость от 10 ⁴ до 10 ⁶ сименс на сантиметр. сантиметр.Электропроводность полупроводников находится где-то между этими двумя крайностями, и на них обычно влияют температура, свет, магнитные поля и следовые количества примесных атомов. Например, добавление около 10 атомов бора (известного как легирующая примесь) на миллион атомов кремния увеличит его электрическую проводимость в тысячу раз (частично с учетом большой вариабельности, показанной на рисунке).

Характеристики полупроводников:

Полупроводники обладают способностью проводить электричество в оптимальных условиях.Это отличает его как отличный материал для контролируемого проведения электричества. В отличие от проводников, носители заряда в полупроводниках генерируются исключительно за счет внешней энергии (тепловое возбуждение).

Он позволяет определенному количеству валентных электронов прыгать в зону проводимости и пересекать запрещенную зону, оставляя такое же количество незанятых энергетических состояний, то есть дырок. Важность электронной и дырочной проводимости одинакова.

1. Удельное сопротивление: 10 ^-5 до 10 ⁶ Ом · м.
2. Электропроводность: от 10 ⁵ до 10 ^-6 Ом / м.
3. Коэффициент термостойкости: отрицательный.
4. Электроны и дырки вызывают ток.
5. Почему сопротивление полупроводников уменьшается при повышении температуры?

Разница в плотности носителей заряда между проводниками и полупроводниками вызывает разницу в удельном сопротивлении.

Удельное сопротивление полупроводников уменьшается с ростом температуры, поскольку количество носителей заряда быстро увеличивается, что приводит к частичному сдвигу сопротивления.

Некоторые важные свойства:

Полупроводники обладают рядом важных свойств, в том числе:

1. При нулевом значении Кельвина полупроводник служит изолятором. Он действует как проводник при повышении температуры.
2. Полупроводники могут быть легированы, чтобы сделать полупроводниковые устройства идеальными для преобразования энергии, переключателей и усилителей из-за их исключительных электрических свойств.
3. Меньше потерь мощности.
4. Они имеют более высокое удельное сопротивление, чем проводники, но более низкое удельное сопротивление, чем изоляторы.
5. При повышении температуры сопротивление полупроводниковых материалов уменьшается, и наоборот.

Типы полупроводников:

Полупроводники бывают разных форм и размеров. Полупроводники делятся на две категории:

1. Внутренний полупроводник.
2. Extrinsic Semiconductor.

1. Внутренний полупроводник:

С химической точки зрения полупроводниковый материал должен быть очень чистым.В нем есть только одна форма функции.

(а) В отсутствие электрического поля. (б) В присутствии электрического поля.

Самыми распространенными собственными полупроводниковыми элементами являются германий (Ge) и кремний (Si). У них есть четыре электрона в валентной оболочке (четырехвалентной). При абсолютном нуле температуры они образуют ковалентную связь с атомом. Из-за столкновений несколько электронов становятся неограниченными и могут свободно проходить через решетку при повышении температуры, что приводит к отсутствию своего первоначального местоположения (отверстия).Электропроводность в полупроводнике поддерживается этими свободными электронами и дырками. Количество отрицательных и положительных носителей заряда равно. Тепловая энергия ионизирует только несколько атомов в решетке, что приводит к снижению проводимости.

Текущие потоки в собственных полупроводниках из-за движения свободных электронов и дырок. Полный ток представляет собой сумму термически индуцированного электронного тока Ie и дырочного тока Ih.

Ie + Ih = Полный ток (I)

2.Внешний полупроводник:

Это тип полупроводника, который не имеет внутренних свойств.

Добавляя небольшое количество подходящих замещающих атомов, известных как ПРИМЕСИ, проводимость полупроводников может быть значительно улучшена. ДОПИНГ — это метод введения примесных атомов в чистый полупроводник. В легированном полупроводнике только 1 из каждых 107 атомов замещен атомом примеси. Внешние полупроводники далее подразделяются на следующие категории:

1. Полупроводник N-типа.
2. Полупроводник P-типа.

Тип N:

1. В основном из-за электронов.
2. Абсолютно без изменений.
3. I = Ih и nh >> ne
4. Электроны составляют большинство, а дырки — меньшинство.

Когда пятивалентная примесь (P, As, Sb, Bi) легируется в чистый полупроводник (кремний или германий), четыре из пяти валентных электронов связываются с четырьмя электронами Ge или Si.

Пятый электрон легирующей примеси высвобождается. В результате примесный атом отдает решетке свободный электрон для проводимости и называется «донаром».

P тип:

1. В основном из-за дыр.
2. Совершенно нейтрально.
3. I = Ih и nh >> ne.
4. Дырки в большинстве, электроны в меньшинстве.

Когда чистый полупроводник легирован трехвалентной примесью (B, Al, In, Ga), три валентных электрона примеси связываются с тремя из четырех валентных электронов полупроводника.

S.No	Внутренний полупроводник	Внешний полупроводник
1.	Полупроводник в чистом виде называется собственным полупроводником	Полупроводник, легированный примесью, называется примесным полупроводником.
2.	Здесь сменные носители производятся только за счет термического перемешивания	Здесь сменные носители образуются из-за примесей, а также могут образовываться из-за теплового перемешивания
3.	Обладают низкой электропроводностью	Обладают высокой электропроводностью
4.	Имеют низкую рабочую температуру	Имеют высокую рабочую температуру
5.	При 0K уровень Ферми точно лежит между полосой конденсации и валентной полосой	При 0K уровень Ферми точно расположен ближе к зоне проводимости в полупроводнике n-типа и около валентной зоны в полупроводнике p-типа
	Примеры: Si, Ge и т. Д.	Примеры: Si и Ge, легированные Al, In, P, As и т. Д.

Применение полупроводников:

1. Полупроводники используются во многих приложениях.
2. Давайте посмотрим, как полупроводники используются в повседневной жизни. Почти все электронные устройства содержат полупроводники. Наша жизнь была бы совсем другой, если бы их не было.
3. Их надежность, компактность, низкая стоимость и регулируемая проводимость — все это преимущества.

Применение полупроводников в повседневной жизни:

1. Полупроводниковые приборы используются для изготовления датчиков температуры.
2. Используются в 3D-принтерах.
3. Микрочипы и беспилотные автомобили используют его.
4. Калькуляторы, солнечные батареи, компьютеры и другие электронные устройства используют этот материал.
5. Полупроводники используются для производства транзисторов и полевых МОП-транзисторов, которые используются в качестве переключателей в электрических цепях.

Полупроводники в промышленности:

1. Физические и химические свойства полупроводников позволяют создавать чудеса техники, такие как микрочипы, транзисторы, светодиоды и солнечные элементы.

   No related posts.