Полупроводники свойства: Каковы основные свойства полупроводников? — Блог о строительстве — Светодиодные светильники и корпуса для светильников купить оптом в Москве

Полупроводники свойства: Каковы основные свойства полупроводников? — Блог о строительстве

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

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

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

Содержание

Классификация полупроводников

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

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

xGe_1–_x;

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

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

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

, Bi₂Te₃,Cu₂O и др.;

– тройные и четверные твёрдые растворы на основе соединений A III B V и A II B VI , напр. Ga_xAl_1–_xAs, Ga_xAl_1–_xN, Cd_xHg_1–_xTe, Cd_xMn_1–_xTe, Ga_xIn_1–_xAs_yP_1–_y и др.

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

К органическим П. относятся: ряд органич.

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

Большинство изученных П. находятся в кристаллич. состоянии. Свойства таких П. в значит. мере определяются их химич. составом и симметрией кристаллич. решётки. Атомы кремния, обладая четырьмя валентными электронами, образуют кубич. кристаллич. решётку типа алмаза с ковалентной связью атомов (кристаллографич. класс $m\bar 3m$, или $O_h$). Такую же кристаллич. решётку имеют германий и серое олово.

В GaAs каждый атом образует 4 валентные связи с ближайшими соседями, в результате чего получается кристаллич. решётка, подобная решётке алмаза, в которой ближайшими соседями катиона Ga являются анионы As и наоборот. За счёт частичного перераспределения электронов атомы Ga и As оказываются разноимённо заряженными и связи между атомами становятся частично ионными. Кристаллич. решётка GaAs не обладает центром инверсии, поэтому в таких П. возникают эффекты, отсутствующие в центросимметричных полупроводниковых структурах, напр. пьезоэлектричество (см. Пьезоэлектрики), генерация 2-й оптич. гармоники, фотогальванические эффекты. Структурой, подобной арсениду галлия, обладают InAs, InP, ZnTe, ZnSe и др.

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

Электроны и дырки в полупроводниках

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

Поскольку разорванная связь означает наличие локального положительного электрич. заряда, дырки переносят положительный заряд. Дырки, как и электроны, могут перемещаться на значит. расстояния в периодич. потенциале кристалла без рассеяния.

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

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

Чёрны…

Последовательное и строгое описание состояний носителей заряда и их движения в кристаллах можно сделать в рамках зонной теории. Осн. состояние кристалла при темп-ре 0 К формируется за счёт последовательного заполнения электронами наинизших энергетич. состояний. Согласно принципу Паули, в каждом состоянии с определённым значением спина может находиться только один электрон. В зависимости от кристаллич. структуры и от числа электронов в каждом из атомов, составляющих кристалл, возможны два случая: 1) электроны полностью заполняют неск. нижних разрешённых зон, а все верхние зоны остаются пустыми; 2) одна из разрешённых зон заполнена частично. В первом случае распределение электронной плотности в кристалле фиксировано, электроны не могут участвовать в проводимости и кристалл является П. или диэлектриком. Во втором случае часть электронов в пределах частично заполненной зоны может свободно перемещаться по кристаллу3 и кристалл является металлом.

В П. и диэлектриках верхняя полностью заполненная разрешённая зона энергий называется валентной зоной, нижняя пустая зона – зоной проводимости. Энергетич. интервал между дном (минимумом энергии) зоны проводимости и потолком (максимумом энергии) валентной зоны называется шириной запрещённой зоны $ℰ_g$. Различие между П. и диэлектриками чисто количественное: условно считают, что вещества с $ℰ_g<2$ эВ являются П., а с $ℰ_g>2$ эВ – диэлектриками. При отличной от нуля темп-ре тепловое движение перераспределяет электроны по энергии: часть электронов «забрасывается» из валентной зоны в зону проводимости. При этом появляются свободные носители заряда – электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне (рис.). Количество свободных электронов и дырок экспоненциально зависит от темп-ры, поэтому температурная зависимость проводимости П.

определяется формулой ( * ).

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

Примеси и дефекты в полупроводниках

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

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

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

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

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

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

Электрические свойства полупроводников

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

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

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

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

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

В более сильных полях, когда $ω_сτ≫1$, но характерная энергия носителей заряда значительно превосходит $\hbar ω_с$, необходимо учитывать квантование носителей заряда во внешнем магнитном поле, в результате плотность состояний как функция обратного поля приобретает вид острых, периодически расположенных пиков. 2$. Значение продольного сопротивления обращается в нуль в магнитных полях, отвечающих ступенькам на зависимости поперечного сопротивления от магнитного поля и пикам между ступеньками. Такое поведение объясняется особенностями движения носителей заряда в сильном магнитном поле в условиях действия случайных электрич. и деформационных полей, имеющих разл. пространственный масштаб. При ещё большем магнитном поле имеет место дробный квантовый эффект Холла, проявляющийся в дополнит. расщеплении ступенек. Однако квантовый характер носителей заряда может проявляться и в слабых магнитных полях. Оказалось, что при низких темп-рах в П. и металлах наблюдается небольшое (ок. 1–5% от общего) изменение проводимости, пропорциональное квадрату магнитного поля. Этот эффект объясняется явлением слабой локализации, состоящим в увеличении сопротивления проводящих материалов за счёт усиления рассеяния назад при диффузионном движении частиц.

Оптические свойства полупроводников

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

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

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

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

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

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

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

Полупроводниковые гетеро- и наноструктуры

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

В нач. 21 в. сложилась устойчивая терминология низкоразмерной физики П. Систематика начинается с одиночного гетероперехода между двумя композиционными материалами – полупроводниками A и B. Один или оба материала могут быть твёрдыми растворами (примеры гетеропар A/B: GaAs/Al_1–_xGa_xAs, ZnSe/BeTe). По определению, в гетеропереходах первого типа запрещённая зона $ℰ_g$ одного из композиц. материалов лежит внутри запрещённой зоны др. материала. В этом случае потенциальные ямы для электронов или дырок расположены в одном и том же слое. В гетеропереходах второго типа дно зоны проводимости ниже в одном, а потолок валентной зоны выше в другом П. Для указанных гетеропар запрещённые зоны перекрываются. Имеются также гетеропереходы второго типа (напр., InAs/GaSb), у которых запрещённые зоны не перекрываются и дно зоны проводимости одного П. B_g$.

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

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

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

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

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

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

Типы полупроводников. Свойства, практическое применение.

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

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

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

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

Характеристика полупроводников

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

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

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

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

Типы полупроводников, энергетический зазор

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

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

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

Типы полупроводников, ширина запрещенной зоны

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

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

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

Примесная и собственная проводимость полупроводников

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

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

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

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

Типы полупроводников, собственная проводимость

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

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

Одноэлементные полупроводники

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

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

Типы полупроводников, кремний

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

Двухэлементные соединения

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

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

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

Типы полупроводников, полупроводниковые материалы

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

Типы полупроводников, оксиды

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

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

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

Слоистые кристаллы

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

Типы полупроводников, слоистые кристаллы

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

Органические полупроводники

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

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

Магнитные полупроводники

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

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

Разнообразие полупроводниковых материалов

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

Видео, типы полупроводников

Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!

[wysija_form id=»1″]

Получение и свойства полупроводников

Способов получения чистых и примесных полупроводниковых материалов очень много: наиболее совершенный и широко применяемый способ очистки полупроводниковых материалов — способ «зонной плавки». При зонном плавлении слиток «грязного» полупроводника, полученный тем или иным способом, помещается в чистую графитовую лодочку, заключенную в кварцевую трубу; по этой трубе непрерывно проходит инертный газ, например аргон, который препятствует попаданию в трубу извне нежелательных примесей и воздуха. При помощи узкого кольцевого нагревателя добиваются плавления небольшой части слитка и медленно перемещают расплавленную зону вдоль него. На границе твердой и жидкой фаз большинство примесей диффундирует из твердой фазы в жидкую за счет большей растворимости в жидкой фазе и уносится расплавленной зоной к концу слитка. При повторении этого процесса несколько раз получается очень чистый слиток, у которого отламывается грязный конец. После зонной плавки слиток поступает в дальнейшую плавку, где в него вводят необходимые примеси в нужных количествах. Наиболее распространенный метод «вытягивания монокристаллов из расплава», именуемый методом Чохральского, заключается в следующем. При медленном вытягивании затравки (кусочек монокристалла данного полупроводника) из расплава, который также находится в инертном газе, расплавленный полупроводник постепенно выкристаллизовывается на ее поверхности, образуя при этом монокристалл. В процессе вытягивания кристалла из расплава для достижения однородности растущего кристалла и равномерного перемешивания введенных в расплав примесей часто дают затравке и тиглю с расплавом вращательное движение в разные стороны, причем устанавливается очень точный контроль температуры расплава. После того как монокристалл вытянут из расплава, ему дают постепенно остыть, затем проверяют его электрические параметры и пускают в производство,

Свойства полупроводников

Под действием внешних факторов, таких, как тепло, свет, электрическое и магнитное поля, проводимость полупроводников может резко изменяться. Выше было указано, как изменяется электропроводность полупроводников под действием тепла. Это свойство используется для создания полупроводниковых термосопротивлений (терморезисторов), которые очень чувствительны к изменению температуры и используются для измерения и стабилизации температуры с большой точностью.
Большинство полупроводниковых материалов изменяют свое сопротивление в зависимости от приложенного напряжения, т. е. имеют нелинейную вольт-амперную характеристику, и при определенных напряжениях могут становиться проводниками. Это свойство используется для создания нелинейных полупроводниковых сопротивлений — варисторов, а также вилитовых сопротивлений, которые используются в вентильных разрядниках.
Наличие градиента температуры в полупроводнике вьвдвает перемещение свободных зарядов из горячего участка полупроводников, где концентрация их и скорость движения больше, в холодный участок.
Если носителями тока являются электроны, то они переносят свой заряд в холодный участок, заряжая его отрицательным электричеством, тогда как горячий участок полупроводника, потерявший часть своих электронов, окажется заряженным положительно, что создает между горячим и холодным участками термо-э. д. с. В полупроводниках же с дырочной проводимостью горячий участок окажется заряженным отрицательно, а холодный — положительно. Этот эффект называется термоэлектричеством и используется для создания термоэлементов и термогенераторов, которые превращают тепловую энергию в электрическую.
В замкнутой цепи из двух различных полупроводников при прохождении тока один спай полупроводников будет нагреваться, а другой — охлаждаться. Один и тот же спай двух полупроводников при одном направлении тока нагревается, при другом — охлаждается. Это явление — явление Пельтье — используется для создания холодильников, термостатов и т. п.
Под влиянием света проводимость полупроводника также может резко изменяться. Это вызывается тем, что свет определенной длины волны сообщает электронам, находящимся в запрещенной зоне, энергию, достаточную, чтобы перевести электрон из валентной зоны, в зону проводимости (или с валентных уровней в зону проводимости) в зависимости от длины волны света; при этом образуется пара электрон — дырка. Свойство полупроводника изменять проводимость под действием света, или фотопроводимость, применяется для создания фоторезисторов, чувствительных не только к видимому участку спектра, но и к инфракрасным лучам.
При частичном освещении полупроводника между освещенным и неосвещенным участками возникает фото-э. д. с, причем разность потенциалов зависит от интенсивности освещения. Фото-э. д. с. используется для создания фотоэлементов без источников питания, а также солнечных батарей, которые превращают солнечную энергию непосредственно в электрическую.
Полупроводник при данной внешней температуре находится в состоянии термодинамического равновесия. В простейшем случае при воздействии света в кристалле образуются неравновесные пары элек трон — дырка (или неосновные носители тока). После прекращения действия света неравновесные пары электрон — дырка рекомбинируют. Среднее время, в течение которого в кристалле существует неравновесная пара, называется «временем жизни» неравновесных носителей. Величина эта очень чувствительна к структурным дефектам кристалла: чем выше время жизни, тем совершеннее кристалл. Эта величина определяется по скорости затухания во времени добавочной проводимости, созданной освещением кристалла:

где — начальная электрическая проводимость; — проводимость после прекращения освещения; t — время; — время жизни неосновных носителей тока.
Если поместить однородный прямоугольный образец полупроводника в магнитное поле, перпендикулярное направлению тока, протекающему по образцу, то на боковых гранях возникает поперечная разность потенциала, называемая э. д. с. Холла (рис. 5-25), равная:

где -холловская разность потенциалов; R -коэффициент Холла; I-ток через образец; В-магнитная индукция; d — толщина пластинки в направлении магнитного поля.
В общем виде коэффициент Холла определяется выражением

где b — отношение подвижностей.
В частных случаях для резко выраженных типов полупроводников коэффициент Холла равен:

Эффект Холла позволяет определять тип проводимости полупроводника (по знаку возникающей между точками А к В разности потенциалов) и концентрацию носителей. Кроме того, можно определять величину подвижности носителей тока. Для этой цели нужно знать величину электропроводности данного полупроводника. Для полупроводника резко выраженного типа подвижность равна:

Эффект Холла используется для измерения магнитной индукции постоянных и переменных полей, тока и мощности в электрических цепях, преобразования постоянного тока в переменный, модуляции сигналов переменного тока, детектирования и усиления сигналов, генерирования электрических колебаний и т. п.
Наиболее важной особенностью некоторых полупроводников является выпрямляющее свойство контакта между двумя полупроводниками, имеющими разнородную проводимость (электронную и дырочную), или полупроводника с металлом. Сущность этого явления сводится к тому, что на границе соприкосновения двух полупроводников (или на границе полупроводника с металлом) образуется тонкий слой, обладающий свойством пропускать электроны в одном направлении и препятствовать прохождению их в обратном направлении. Этот слой называют запирающим. Это свойство используется для изготовления полупроводниковых вентилей, фотоэлементов с запирающим слоем и фотодиодов. Более сложные сочетания между разнотипными полупроводниками дают возможность получить полупроводниковые триоды и тетроды для генерирования и усиления электрических колебаний.
Ряд полупроводников обладает специфическими свойствами, позволяющими использовать их для создания различных полупроводниковых приборов. К таким свойствам относятся пьезоэлектрический и тензорезистивный эффекты, ферромагнитные и люминесцентные свойства и др.

Рис. 5-25. Поперечное поле, обусловленное эффектом Холла (полупроводник n-типа).

Свойства полупроводниковых материалов: применение полупроводников

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

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

Полупроводниковые элементы

Важно! При температуре, стремящейся к абсолютному нулю, все полупроводники становятся диэлектриками.
Механизм электрической проводимости
Проводимость таких материалов, как полупроводники, имеет иной характер, чем у обычных проводников. Главное условие возникновения тока в материалах – наличие достаточного количества свободных электронов. Кристаллическая структура полупроводниковых материалов характеризуется ковалентными химическими связями, когда каждый электрон ядра связан с двумя рядом стоящими атомами.
Электроны веществ участвуют в переносе заряда при получении некоторой энергии. Работа энергии для полупроводников имеет значение порядка единиц электрон-вольт (эВ). У проводников это значение меньше, у диэлектриков, соответственно, больше.
Дырка
Важная особенность рассматриваемых материалов – они могут обладать особым типом проводимости – дырочной. В электронной оболочке атома в момент отрыва и ухода электрона образуется свободное место, которое принято именовать дыркой. Соответственно, дырка имеет положительный заряд, направление движения противоположно потоку электронов.
Обратите внимание! Подвижность электронов выше, чем у дырок.
Электронная и дырочная проводимость
Энергетические зоны
Все вещества характеризуются энергетическими зонами электронов оболочки атома. Таких зон три:
Зона проводимости;
Запрещенная зона;
Зона валентности.
Название запрещенной зоны говорит о том, что электрон находиться в ней не может. Поэтому для возникновения тока электрон должен переместиться в зону проводимости из стабильной валентной зоны. Чем шире запрещенная зона, тем свойства материала приближаются к диэлектрикам.
Энергетические зоны
Подвижность
При воздействии электрического поля в материалах начинается движение носителей заряда. В рассматриваемом случае это электроны и дырки. Зависимость между скоростью движения и величиной напряженности электрического поля при отсутствии влияния нагрева называется подвижностью. Рост числа взаимных столкновений является причиной того, что при увеличении концентрации подвижность падает.
Собственная плотность
Наличие запрещенной зоны не служит препятствием к образованию собственных носителей заряда. Плотность электронов и дырок определяется сложной зависимостью, которая показывает, что собственная плотность заряженных частиц растет при увеличении температуры.
Виды полупроводников
Множество веществ, к которым можно отнести полупроводники, классифицируется по величине и характеру проводимости.
По характеру проводимости
В силу того, используется чистое вещество либо, в которое внесены примеси, проводимость может иметь различный характер.
Собственная проводимость
В силу разных причин в чистых материалах могут появляться свободные электроны и дырки. В результате образуется собственная проводимость.
Важно! Собственная проводимость характеризуется равной концентрацией дырок и электронов.
Собственная проводимость германия
Примесная проводимость
Большая часть полупроводников, образованных четырехвалентными атомами, имеет собственную проводимость. При целенаправленном внесении примесей веществ третьей или пятой валентности получаются кристаллы, обладающие примесной проводимостью, в которых количество дырок и электронов прямо зависит от типа и количества примесных атомов на единицу объема чистого вещества.
По виду проводимости
Выше было рассмотрено, что в полупроводниках в процессе переноса заряда участвуют не только «традиционные» электроны, но и условные положительные заряды – дырки. Поэтому полупроводниковые материалы имеют два типа проводимости.
Электронные полупроводники (n-типа)
Присутствие в четырехвалентном веществе пятивалентной примеси приводит к тому, что пятый электрон примеси вынужден переместиться на более высокую орбиту, в результате чего на его освобождение требуется небольшое количество энергии.
Такие примесные полупроводники называют веществами n-типа, от слова «negative» – отрицательный. Примеси в данном случае называют донорными, так как они способствуют появлению в веществе свободных электронов.
Дырочные полупроводники (р-типа)
При добавлении трехвалентной примеси возникает противоположная ситуация, когда в кристаллической решетке четырехвалентного материала примесь забирает недостающий электрон, а в основном веществе образуется дырка. Такие примеси именуют акцепторными, а примесный полупроводник, соответственно, называется p-типа, поскольку «positive» – положительный.
Использование в радиотехнике
Каждый специалист, техник, обладающий познаниями в электронике, знает, что абсолютно вся современная электроника основана на применении полупроводниковых элементов. Любой аналоговый или цифровой (дискретный) прибор имеет в своей основе схемы, построенные с применением диодов и транзисторов.
Полупроводниковый диод
Одно из первых устройств, использующих свойства полупроводимости, – это полупроводниковый диод. Конструкция заключается в соединении пары полупроводников с разными типами проводимости.
В результате физических процессов движения электронов и дырок на границе веществ возникает электрическое поле, и образуется так называемый p-n переход.
P-n переход
P-n переход обладает свойством односторонней проводимости, то есть ток через диод возникает только при подключении p-области (анода) к полюсу источника напряжения, а n-области (катода) – к минусу.
Вольт-амперная характеристика диода
В обратной полярности ток также имеется, но его величина, по сравнению с прямым, намного меньше. Стабилитрон – вид диода, основная область его работы находится на обратной ветви характеристики. Параметр p-n перехода подобран таким образом, что в узкой области обратного тока напряжение на стабилитроне практически не меняется.
Первый диод – детектор, использовался еще в то время, когда теория полупроводников находилась в зачаточном состоянии.
Разнообразные диоды
Транзистор
Транзистор, или, как раннее его называли, триод, имеет две области из материала с одинаковой проводимостью и тонкую область полупроводника с другой. Принцип работы транзистора заключается в том, что малый ток в тонкой области, называемой базой, может управлять гораздо большим током через другие области, соответственно, коллектор и эмиттер.
В зависимости от схемы включения, транзистор может иметь различное назначение: как усилительный, генераторный и преобразовательный полупроводниковый элемент.
Применение полупроводников не ограничивается вышеперечисленными областями. Существуют изделия с тремя и более p-n переходами или вообще без них. Варистор – резистор с сопротивлением, зависящим от величины протекающего тока, тоже полупроводниковый элемент.
Виды транзисторов
Типы полупроводников в периодической системе элементов
В периодической таблице химэлементов полупроводники сосредоточены в периодах со 2-го по 6-й. Их делят на такие типы:
Одноэлементные. Собственный полупроводник обычно принадлежит IV группе, реже используются элементы из других групп;
Сложные – двух и более элементные.
Обратите внимание! Свойства полупроводниковых материалов характеризуются тем, что при увеличении номера группы ширина запрещенной зоны уменьшается.
Физические свойства и применение
Сильная зависимость собственной проводимости от значения температуры является основным физическим свойством полупроводников. Главным образом это выражается тем, что при температуре, близкой к абсолютному нулю, наблюдается полное отсутствие свободных носителей.
Некоторые вещества обладают оптическими свойствами. К примеру, простой чистый кремний используется в производстве солнечных батарей, сложные соединения, в особенности, арсенид галлия, применяются для изготовления светодиодов. Полупроводниковый лазер имеет малые габариты и высокие технические параметры, что позволило воплотить в жизнь оптоволоконные средства коммуникации.
Полупроводниковый лазер
Легирование
Характеристика полупроводника в сильной степени зависит от его чистоты. Выращивая в особых условиях сверхчистые монокристаллы вещества, необходимые свойства придают при помощи легирования (введения в состав донорных или акцепторных примесей).
Методы получения
Для выращивания монокристаллов высокой чистоты используют два метода:
Метод Чохральского, при котором монокристалл выращивают из расплава вещества;
Зонная плавка, когда очистка образца производится путем расплавления небольшого участка с постепенным продвижением зоны расплава подвижной индукционной катушкой.
Также физики используют методики химического и физического осаждения, которые позволяют создавать тонкие слои вещества вплоть до слоев в одну молекулу толщиной.
Зонная плавка
Оптика полупроводников
Многие полупроводники обладают оптическими свойствами, в частности, фотопроводимостью, то есть свойством изменения электрического сопротивления под воздействием электромагнитного излучения.
В оптоэлектронике наиболее часто используются такие материалы, которые поглощают излучение в том случае, когда ширина запрещенной зоны меньше энергии кванта. Основной материал оптоэлектроники – арсенид галлия.
Список полупроводников
Полупроводники примеры которых будут рассмотрены ниже, нашли самое широкое распространение. Группы обозначаются буквами с указанием валентности. Первый материал обозначается буквой «А», второй – буквой «В». Для упрощения буквенные символы иногда опускают, оставляя только валентное число. Далее приведен краткий перечень распространенных материалов.
Группа IV
Германий;
Кремний;
Карбид кремния.
Группа III-V
Арсенид, фосфид, нитрид индия и галлия. Также сюда входит трехкомпонентный полупроводник арсенид галлия-индия.
Группа II-VI
Селенид, сульфид, теллурид цинка и кадмия.
Группа I-VII
Единственное вещество – хлорид мели.
Группа IV-VI
Сульфид, теллурид свинца и олова.
Группа V-VI
Висмута теллурид.
Группа II-V
Фосфид цинка;
Антимонид олова.
Другие
Сульфид олова;
Оксид меди;
Железный оксид.
Органические полупроводники
Некоторые органические соединения также обладают полупроводниковыми свойствами:
Органические красители;
Ароматические соединения;
Полимеры;
Пигменты.
Магнитные полупроводники
Некоторые полупроводниковые материалы обладают свойствами ферромагнетиков, что позволяет создавать устройства с новыми областями применения.
Прошло то время, когда полупроводниковая техника была дорога и нетехнологична, по сравнению с электровакуумным оборудованием. В настоящее время вся электро,- и радиотехника базируется на монолитных полупроводниковых компонентах. Такие устройства имеют высокую надежность и стабильность параметров.
Видео
Полупроводники, свойства — Справочник химика 21
Фундаментом прогнозирования активности, селективности и других специфических свойств катализатора должна стать детальная микроскопическая теория гетерогенного катализа, опирающаяся на современные представления квантовой химии и теории твердого тела. Описывая элементарные акты реакций и превращений вещества на поверхности реального катализатора, такая теория в принципе дает возможность не только в полной мере понять механизм, кинетику и термодинамику катализа, но и предсказать каталитическую способность того или иного металла, полупроводника, диэлектрика в конкретной химической реакции. Однако незавершенность теорий катализа не позволяет однозначно предсказывать оптимальный состав промышленных катализаторов и другие их характеристики для действующих и проектируемых производств. До сих пор решение проблемы подбора катализаторов опирается в значительной мере на эмпирические подходы, сопряженные с большими затратами рутинных форм труда. Так, в поисках первого катализатора для синтеза аммиака было исследовано около 20 тыс. различных веществ [1, 2]. В 1973 г. число известных органических соединений оценивалось в 6 млн. Ежегодно только в нашей стране синтезируется более 40 тыс. новых химических соединений. Таким образом, разработка научно обоснованных целенаправленных стратегий поиска катализаторов представляет актуальную проблему современного катализа. Актуальность проблемы подтверждается еще и тем, что коло 90% промышленных химических и нефтехимических производств ведется с применением катализаторов. [c.56]
Основанная на теории МО зонная модель электронного строения металлов, полупроводников и диэлектриков может показаться не сразу очевидной всем студентам, но после ее обсуждения и объяснения она обычно усваивается. Последний раздел, посвященный силикатам, можно опустить без ущерба для усвоения важнейших понятий, но он дает хорошую возможность закрепить положение о связи между структурой и свойствами и обычно вызывает интерес у студентов. [c.577]
Катализ первого класса, сокращенно называемый электронным катализом , осуществляется на твердых телах — проводниках электрического тока (металлах и полупроводниках). Эти тела обладают рядом общих физико-химических свойств, связанных с наличием в них подвижных электронов. Для тел-проводников характерна электропроводность, окраска (т. е. заметное поглощение света в видимой области спектра), термоэлектронная эмиссия и внешний фотоэффект. К этому классу относятся каталитические реакции окисления, восстановления, гидрирования, дегидрирования, объединяемые в тип гемолитических. Все они сопровождаются разделением электронов в электронных парах молекул. Общий механизм действия катализатора сводится при этом к облегчению электронных переходов в реагирующих молекулах за счет собственных электронов катализатора. [c.13]
Механизм окислительно-восстановительных реакций. В настоящее время многие исследователи весьма скептически относятся к идеям о связи каталитической активности с коллективными свойствами электронов твердого тела (см., например, [23]) и вновь склоняются к чисто химическим концепциям, близким к теории промежуточных соединений. Однако в рамках этих концепций, как ука- швалось в самом начале этой книги, нельзя объяснить многие факты и наиболее фундаментальный из них — явление промотирования и модифицирования без образования новой фазы. Поэтому более вероятным является широкая вариация механизмов катализа от реакций, связанных, главным образом, с коллективными свойствами электронов в твердом теле, до превращений, практически идентичных с объемными гомогенными реакциями. Рассмотрим общий подход к явлениям катализа на полупроводниках на примере наиболее типичных для них окислительно-восстановительных превращений. Для большей конкретности будет рассмотрен случай окисления органических соединений. [c.26]
Каталитические свойства полупроводников [c.366]
По природе связей между атомами твердые тела делят тоже на две группы ионные, к которым относятся полупроводники и изоляторы, и ковалентные, включающие металлы. К ионным твердым телам относят вещества с большой долей ионной связи—типа галогенидов щелочных металлов, а также некоторые тела, у которых ионность невелика и преобладают ковалентные связи. Общим для них является изменение электрических свойств — от свойств, типичных для изоляторов, до свойств, проявляющихся у полупроводников. Такие вещества связывают адсорбат посредством электронной пары либо за счет проявления полярности. К ковалентным твердым телам помимо металлов относят элементарные полупроводники и отдельные полупроводниковые соединения. Объединяет их способность связывать адсорбат за счет свободных связей. [c.180]

В гл. 1 мы качественно рассмотрели природу сил, связывающих атомы и ионы в твердых телах, однако многие физические и химические свойства твердых тел можно понять только после более глубокого изучения электронного строения и природы сил связи в твердом теле. Одна из главных задач любой теории твердого тела состоит в том, чтобы объяснить, почему твердые тела могут принадлежать столь различным по свойствам классам, как диэлектрики и металлы (которые по электропроводности могут отличаться в 10 раз ). В первых теориях твердого тела рассматривалась модель свободного электрона, согласно которой валентные электроны могут свободно двигаться по всему объему твердого тела, У этой модели были определенные достоинства, но и существенные недостатки, и среди них отсутствие удовлетворительного объяснения факта существования диэлектриков и полупроводников, свойства которых удалось объяснить лишь позднее с позиций квантовой теории. Мы начнем с краткого знакомства с природой сил связи в молекулах, а затем перейдем к твердому телу. [c.30]
Часть 6 — электрические свойства электропроводность металлов и твердых ионных проводников — кристаллов полупроводники свойства пьезоэлектрических кристаллов диэлектрические свойства термогальванический и другие эффекты. [c.45]
Окись свинца РЬО в форме желтой модификации (массикот) при комнатной температуре является полупроводником п-типа проводимости. При нагревании на воздухе выше 160°С становится дырочным полупроводником. Свойства кристаллов РЬО с течением времени изменяются, что связано с диффузией кислорода внутрь кристалла. Удельная проводимость свежих кристаллов РЬО лежит в пределах 2,4— [c.174]
Совершенные кристаллы полупроводников при абсолютном нуле являются диэлектриками. Характерные для полупроводников свойства проявляются при конечных температурах, при наличии примесей, при отклонениях состава вещества от стехиометрии. Проводимость полупроводников занимает промежуточное значение между типичными диэлектриками и металлами [c.244]
Серый селен — полупроводник (АЕ = 1,8 эВ). Его электрическая проводимость резко (примерно в 1000 раз) возрастает при освещении. Полупроводниковые свойства проявляет также жидкий селен. [c.337]
О — S — Se — Ро структурные изменения и ослабление ковалентности связи Э — Э соответствуют изменению физических свойств так, кислород и сера — диэлектрики, селен и теллур — полупроводники, а полоний обладает металлической проводимостью. [c.337]
Изменение структуры простых веществ в ряду Ое — 5п — РЬ соответствует изменению их физических свойств. Так, германий (АЕ = = 0,78 эВ) и а-олово (АЕ 0,08 эВ) — полупроводники, а Р-олово [c.422]
Подобное деление твердых тел позволяет объединить в стройную систему явления, протекающие на поверхности ионных полупроводников и изоляторов, а также ковалентных полупроводников и металлов. Такой подход оказывается продуктивным и при исследовании объемных и поверхностных свойств твердых тел. [c.180]
Полупроводники обладают свойством пропускать электрический ток при условии, что они получают извне сравнительно небольшую энергию, необходимую для возбуждения электронов из нижней заполненной валентной зоны в верхнюю пустую зону проводимости. Поскольку при повышении температуры число возбуждаемых электронов возрастает, проводимость полупроводника увеличивается с температурой. Это свойство полупроводников совершенно противоположно поведению металлов при повышении температуры. [c.631]
Свойства металлов и ковалентных каркасных кристаллов можно интерпретировать в рамках представлений о делокализованных молекулярных орбиталях, рассматривая весь исследуемый объем вещества как одну гигантскую молекулу . Основанная на таких представлениях зонная теория позволяет объяснить многие наблюдаемые свойства проводников, полупроводников и диэлектриков (изоляторов). [c.640]
Наиболее активными, избирательными и технически пригодными катализаторами являются окислы или сульфиды переходных металлов, тогда как, исходя из представлений примерной теории, каталитическими свойствами должны обладать многие полупроводники. Согласно представлениям этой теории, различного типа модифицирование должно оказывать большее влияние на каталитические свойства полупроводника, чем его первоначальный химический состав. На самом деле наблюдается обратное. [c.26]
До сравнительно недавнего времени носитель рассматривали как инертную составляющую катализатора. Обычно как доказательство инертности носителей приводится отсутствие у них каталитической активности. Однако, как указывалось несколько выше, и у других типов сложных катализаторов один из компонентов может не обладать каталитической активностью. Шваб [87] показал, что при варьировании носителей для одного и того же активного компонента изменяется не только удельная каталитическая активность последнего, но и электрические свойства получаемого катализатора (электропроводность). Следовательно, влияние носителя может иметь электронную природу, что должно также вытекать из теории явлений в пограничных слоях металлов и полупроводников. [c.46]
По свойствам и механизмам протекающих на них превращений гетерогенные катализаторы целесообразно разделить на четыре типа 1) кислотно-основные 2) комплексообразующие 3) электронные полупроводники 4) металлы. [c.152]

Электронные полупроводники. Хотя в настоящее время по вопросам полупроводниковой теории катализа имеется обширнейшая литература, однако работ, посвященных проблеме прогнозирования каталитических свойств полупроводников, немного. [c.154]
Свойства. Бор известен в аморфной (коричневой) и кристаллической (черной) формах, т. пл. 2300 °С, т. кип. 3700 °С, р = = 2,34 г/см Кристаллическая решетка бора очень прочна, это проявляется в его высокой твердости, низкой энтропии [7 Дж/(моль-К)] и высокой температуре плавления. Бор — полупроводник,, ширина запрещенной зоны составляет 1,42 эВ. [c.327]
При подготовке 4-го издания книга не подверглась значительному изменению. В некоторой степени переработано изложение материала, относящегося к природе химической связи в молекулах и кристаллах, рассмотрена донорно-акцепторная связь. Дополнен материал, относящийся к свойствам твердых тел, введены представления о зонной теории металлов и полупроводников. Расширено изложение особенностей свойств газов, кристаллов при очень высоких температурах. Рассмотрены некоторые процессы при очень низких температурах (сверхпроводимость и др.). Расширен материал, посвященный внутреннему строению и свойствам воды в различных состояниях и процессам замерзания ее введено представление о релаксационном характере процессов, связанных с достижением равновесного состояния воды при изменившихся внешних условиях [c.12]
Все большую роль приобретает физическая химия в изучении и технологии полупроводников. Автоматизация химических производств в значительной степени базируется на использовании различных закономерностей в физико-химических свойствах материалов. [c.24]
Добавление к селениду мышьяка галлия и бора, образующих донорно-акцепторные связи, приводит к тому, что в его каркасную структуру включаются тетраэдрические структурные единицы, сквозная проводимость при этом повышается. Примесь от 10 до 1 ат. % меди к сульфиду мышьяка повышает электропроводность от 10 5 до Ом- -см2. Но в ряде случаев примесь 1—3 ат.% элементов II—III групп не влияет на электропроводность халькогенидных стекол, чем они резко отличаются от полупроводников, свойства которьй резко изменяются примесями. По-видимому, это связано с тем, что атомы примесей оказываются захваченными молекулярными включениями, обособленными от проводящего каркаса халькогенидного стекла. [c.120]
ЭЛЕКТРОН (е) — устойчивая элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом, принятым за единицу количества электричества, и массой, равной 9 г. Э. был открыт в 1897 г. Дж. Томсоном. Э. играют основную роль в строении вещества, они являются одной из составных частей атомов. Э,, движущиеся вокруг атомного ядра, определяют химические, электрические, оптические и другие свойства атомов и л олекул. Характер движения Э. обусловливает свойства жидких и твердых тел, их плотность, электропроводность метяллов и полупроводников, свойства диэлектриков, оптические и другие свойства кристаллов и т. д. Важную роль играют ва- [c.290]
Селен является полупроводником, свойства которого еще недостаточно изучены, главным образом, из-за неопределенности его кристаллического и структурного состояний и природы примесей. Удельное сопротивление различных образцов чистого селена может изменяться от 10 до 10 ом-см. Ширина запрещенной зоны гексагонального селена равна 0,8 эв. Несмотря на большие пробелы по изучению нолупроводимости селена, он широко используется для производства многочисленных видов приборов. [c.492]
Как уже отмечалось, н полупроводника рода носителей заряда отрицательные—электроны и положительные — дырки. Поэтому проводпнкн по ряду свойств похожи на электролиты, где также присутствуют отрицательные и положител( Пые носители электричества — апиопы и катионы. Эта аналогия обнаруживается и и строении двойного электрического слоя, В ре.чультате наложения сил теплового движения и сил взаимодействия (притяжения и отталкивания) с поверхностью полупроводника внутри песо вблизи Гранины раздела устанавливается диффузное распределение зарядов и возникает так называемый объемный заряд. Таким образом, двойной электрический слой на границе раздела включает в себя как бы два слоя Гуи — один в раство- [c.274]
В случае примесных полупроводников, пока содержание примесных атомов невелико, остаются в силе основные соотношения, полученные для собственно полупроводников. С ростом содержания примесей поведение системы полупроводник— раствор уже не может быть описано приведенными уравнениями и зависит от природы примесных атомов. Так, в пределе для примесного л-полупр6 -водника, особенно ири высокой плотности поверхностных состояний, электрические свойства границы его с раствором приолнжаются к свойствам системы металл — раствор. [c.275]
При высоких и сверхвысоких давлениях изменяются физические свойства веществ. Так, в ряде случаев вещества, которые при обычных давлениях являются изоляторами (например, сера), при сверхвысоком давлении становятся полупроводниками. Полупроводники же при 2- 10 —5- 10 Па могут переходить в металлическое состояние. Подобные переходь[ изучены у теллура, иода, фосфора, ряда соединений. Расчеты показывают, что дальнейшее повышение давления металлизует все вещества. Интересные превращения претерпевает иттербий (УЬ), При давлении до 2- 10 Па иттербий — металл, при 2-Ю —4-10 Па — полупроводник, выше 4-10 Па— нова металл. [c.124]
Кристаллы SijN бесцветны, проявляют полупроводниковые свойства (Д = 3,9 эВ). Нитрид кремния используют в качестве химически стойкого и огнеупорного материала, в создании коррозионностойких и тугоплавких сплавов, в качестве высокотемпературного полупроводника. [c.420]
Селен — типичный полупроводник (см. ИЮ). Особсп.чо важным свойством его как полупроводника является резкое увеличение электропроводности при освещении. На границе селена с ме-чаллическим проводником образуется запорный слой—участок цепи, способный пропускать электрический ток только в одном направлении. В связи с этими свойствами селеи применяется в полупроводниковой технике для изготовления выпрямителей н [c.395]
И)0. Физические и химические свойства металлов. Электронное строение металлов, изоляторов и полупроводников. Металлы облагают рядом общих снонств, к общим физическим свойствам ме-игтлов относятся их высокая электропроводность, высокая тепло- [c.530]
В периодической системе нет резкой границы между элементами с металлической структурой и элементами с ковалентной каркасной структурой (рис. 14-8). Это видно из того, что кристаллы некоторых элементов обладают свойствами, промежуточными между проводниками и изоляторами. Кремний, германий и а-модификация олова (серое олово) обладают кристаллической структурой алмаза. Однако межзонная щель между заполненной и свободной зонами в этих кристаллах намного меньше, чем для углерода. Так, ширина щели для кремния составляет всего 105 кДж моль (Как мы уже знаем, для углерода она равна 502 кДж моль .) Для германия ширина межзонной щели еще меньше, 59кДж моль а для серого олова она лишь 7,5 кДж моль Ч Металлоиды кремний и германий называются полупроводниками. [c.631]
При добавлении Ь120 к N 0 на каждый ион замещающий появляется 1 ион и дырочная проводимость (т. е. проводимость р-типа) возрастает (стрелка 1), при добавлении к N10 ОагОз число ионов (осуществляющих проводимость р-типа) уменьшается и проводимость р-типа падает (стрелка ). С работах ряда авторов [см., например Рогинский С. 3., Хим. наука и промышленность, 2, 138 (1957)] были изучены каталитические свойства окислов-полупроводников (N 0, 2пО,ХггОз и др.) и показано существование корреляции между их электронными свойствами и каталитической активностью, а также возможность путем соответствующих добавок изменять в заданном направлении каталитические свойства этих окислов для определенных реакций. Так, например, при окислении СО на N 0 введение в N 0 даже нескольких сотых процента заметно снижает каталитическую активность N 0 (повышает энергию активации изучаемой реакции) 2п0 с добавками, понижающими ее активность по отношению к окислению СО и распаду МгО, имеет повышенную активность для реакции изотопного обмена молекулярного водорода. — Прим. перев. [c.28]
Наиболее устойчивой формой фосфора является черный фосфор. Он образуется из белого при 1,2 ГПа и 200 °С. Снижение давления до атмосферного не приводит к обратному переходу в белый фосфор. Черный, фосфор по внешнему виду и свойствам напоминает графит, жирен на ощупь, легко разделяется на чешуйки. Полупроводник. При комнатной температуре он ни в чем не растворяется. Химически малоактивен. Неядовит, температура его воспламенения равна 490 °С. Кристаллическая реи етка черного фосфора состоит из ребристых слоев атомои, расстояние между которыми 368 пм (рис. 3.53). [c.414]
Полупроводники Основные свойства — Энциклопедия по машиностроению XXL
Рассмотрим основные свойства аморфных полупроводников. [c.360]
Полупроводник — вещество, основным свойством которого является сильная зависимость удельной проводимости (см. с. 123) от воздействия внешних факторов. [c.117]
Полупроводниками называют вещества, удельное сопротивление которых при нормальной температуре находится между значениями удельных сопротивлений проводников и диэлектриков (в диапазоне от до 10 °…10 Омом). Основным свойством полупроводника является зависимость его электропроводности от воздействия температуры, электрического поля, излучения и других факторов. Полупроводники в отличие от проводников имеют отрицательный коэффициент температурного удельного сопротивления, электропроводность полупроводников с увеличением температуры растет экспоненциально. [c.334]

Радиационная стойкость. Непрерывно расширяется номенклатура материалов, а также готовых изделий электронной и электротехнической промышленности, к которым предъявляются определенные требования радиационной стойкости, т. е. способности работать, не теряя основных свойств, в условиях интенсивного облучения или после радиационного воздействия. Не менее важным является радиационное воздействие на материалы с целью полезного изменения структуры, улучшения или придания им новых свойств (радиационная сшивка полимеров, легирование полупроводников и т. д.). [c.164]
Одним из основных свойств полупроводников является значительная зависимость их электропроводимости от температуры, а также от освещения (увеличивается с усилением освещения). [c.283]
Выпрямительные сварочные установки собираются из полупроводниковых элементов, которые обладают свойством проводить ток только в одном направлении. В обратном направлении полупроводники практически не пропускают электрический ток. Основные свойства полупроводникового элемента характеризуются следующими данными. Во-первых, допустимой плотностью выпрямленного тока, отнесенной к единице рабочей поверхности полупроводникового элемента эта величина зависит от условий охлаждения элемента. Интенсивное искусственное охлаждение позволяет в 2— [c.249]
Мы рассмотрели основные свойства полупроводников познакомимся теперь с их некоторыми специфическими свойствами. [c.95]
Электрические свойства тел — одни из основных свойств. Жизнь современного. человека уже невозможна без электричества. Используемые в настоящее время человеком электрические устройства по размерам различаются на 12 порядков от микроминиатюрных, нано-размерных до крупных электростанций и ускорителей. Практически во всех таких устройствах применяются и проводники, и диэлектрики, и полупроводники. Поэтому знание механизмов электропереноса и электросопротивления и умение управлять ими при создании и эксплуатации материалов приобретают особую важность. [c.221]
ПОЛУПРОВОДНИКИ — в широком смысле — вещества, электропроводность к-рых меньше электропроводности металлов и больше — диэлектриков в узком смысле — вещества, характеризующиеся след, основными свойствами 1) высокой чувствительностью к внешним воздействиям (облучение, нагрев и т. д.) [c.107]
Табл 3. —Основные свойства наиболее распространенных полупроводников типа [c.114]
Основное внимание в настоящей книге, уделено электронным свойствам жидких полупроводников. Эти свойства представляют собой наиболее замечательную и уникальную особенность таких веществ и являются ключом к пониманию их природы. Это не означает пренебрежения структурными, термохимическими и другими аспектами жидких полупроводников, относительно которых, к сожалению, имеется очень мало информации. Но включить в данную книгу достаточное количество материала по неэлектрическим свойствам жидких полупроводников оказалось невозможно. Здесь целесообразно обратиться к монографии Глазова, Чижевской и Глаголевой Жидкие полупроводники [108] >, в которой жидкие полупроводники рассматриваются с физико-химической точки зрения. В настоящей книге химические и металловедческие аспекты жидких полупроводников обсуждаются лишь в том объеме, чтобы дать о них общее представление, а основное внимание сосредоточено на электронных свойствах этих веществ. [c.10]

Полупроводник, легированный донорами, называется полупроводником п-типа носители в нем заряжены отрицательно. Полупроводник, легированный акцепторами, называется полупроводником р-типа заряд носителей здесь положителен. Полупроводники с равным количеством доноров и акцепторов (или с пренебрежимо малым числом тех или других) содержат равные числа положительных и отрицательных носителей и называются собственными полупроводниками. Их свойства определяются самим основным материалом, а не примесями. Мы еше не раз будем возвращаться к свойствам двух различных типов полупроводников. [c.193]
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ [c.190]
Глава 1. Основные свойства и группы полупроводников [c.8]
Основные свойства полупроводников. Полупроводниковые кристаллы обладают структурой алмаза и пространственной симметрией. Плотность полупроводников колеблется от 2300 до 8200 кг/м . По мере возрастания атомного номера связи закономерно ослабляются, [c.231]
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]
Электрофотография (ксерография) — процесс, в котором используются фотопроводящие свойства селенового стекла. Остававшийся долгое время без объяснения этот процесс сейчас в основном понят. Для получения копии сначала заряжают верхнюю поверхность пленки из селенового стекла, распыляя по, ней положительные ионы. При этом на металлической подложке, на которую нанесено стекло, образуется отрицательный заряд изображения. Затем пленку освещают отраженным от копируемого оригинала светом. Там, где на оригинале была буква, свет поглощается, где буквы не было, свет отражается от листа и после попадания на стекло его энергия поглощается электронно-дырочными парами вблизи верхней поверхности. Сильное электрическое поле внутри полупроводника разделяет пары. Электроны поднимаются наверх и нейтрализуют положительные ионы на верхней поверхности дырки движутся к металлической подложке и нейтрализуют на ней отрицательный заряд. В результате этого поверхность селенового стекла становится электронейтральной там, где не было букв на оригинале, и остается положительно заряженной там, где буквы были. Затем к положительно заряженным областям притягиваются отрицательно заряженные черные частицы красителя. Краситель переносится на лист положительно заряженной бумаги и закрепляется нагреванием. На этом процесс копирования заканчивается. [c.369]
Многие физические свойства элементов связаны с положением, которое они занимают в периодической системе. Так, атомные массы элементов возрастают с увеличением порядкового номера (исключение из этого правила составляют пары Аг—К, Со—Ni, Те—I) к магнитному упорядочению способны только металлы с незаполненными 3- и 4-й оболочками (исключением является твердый кислород), а сверхпроводящими свойствами в основном обладают парамагнитные переходные металлы четвертого — седьмого периодов полупроводники располагаются в середине периодов в главных подгруппах 111, IV и VI. а полуметаллы — в главной подгруппе V все периоды заканчиваются диэлектрическими кристаллами. Отчетливую периодичность обнаруживают и другие физические свойства. [c.1231]
Необходимо отметить, что отсутствие дальнего порядка в расположении атомов некристаллических полупроводников не означает их полного беспорядка. Сохраняется ближний порядок, что во многом обусловлено химической природой атомов, составляющих материал, которая не изменяется при переходе от кристаллического состояния к некристаллическому. Наличие ближнего порядка дало возможность, хотя и не на количественном, а только на качественном уровне развить физику некристаллических полупроводников. В основу ее легло положение, выдвинутое советскими учеными А. Ф. Иоффе и А. Р. Регелем о том, что основные, фундаментальные свойства вещества определяются ближним, а не дальним порядком в расположении атомов. [c.10]
Время жизни неосновных носителей более чувствительно к облучению, чем удельная электропроводность. Если, например, ввести избыток дырок в полупроводник и-типа (в этом случае дырки являются неосновными носителями, а электроны — основными), то они исчезнут в результате рекомбинации с электронами, но это произойдет не мгновенно. Среднее время, необходимое для рекомбинации неосновного носителя с основным, называется временем жизни неосновного носителя. Эти свойства особенно важны во многих полупроводниковых приборах, особенно в транзисторах. Механизм рекомбинации определяется примесями и другими типами дефектов. В приведенном выше примере дырки и электроны рекомбинируют после захвата дефектами, которые называют центрами рекомбинации. Очень эффективными центрами рекомбинации являются вакансии и междоузлия. [c.283]

Изменения оптических свойств могут проявляться либо косвенно, через изменение концентрации носителей, либо непосредственно — через образование полос поглощения. Обычно снижение концентрации носителей увеличивает прозрачность полупроводников в области длин волн, лежащей за пределами края основного поглощения. Эта область включает инфракрасную область, представляющую интерес для некоторых военных применений. Кроме того, в полупроводниках полосы поглощения можно непосредственно ввести в инфракрасную область с помощью дефектов, образующихся под действием облучения в отличие от большинства изоляторов, в которых вакансии и междоузлия, называемые центрами окраски, создают сильные полосы поглощения в видимой области спектра. [c.283]
Основным свойством вещества по отношению к электрическому полю является электропроводность, т, е. способность проводить электрический ток под воздействием постоянного (не изменяющегося во времени) электрйческого напряжения. Если полупроводник [c.270]
Полупроводники представляют собой обширную группу веществ, занимающих по величине удельной объемной проводимости промежуточное положение между диэлектриками и проводниками. Возможность получения различного характера электроироводности — электронной и дырочной — и управления ею составляет одну из важных отличительных особениосте полупроводников. В периодической системе имеется 12 элементов, обладающих полупроводниковыми свойствами это так называемые элементарные или простые полупроводники (основной состав полупроводника образован атомами одного химического элемента). Такими элементами являются в III группе — бор в IV группе — углерод, кремний, германий, олово (серое) в V группе — фосфор, мышьяк, сурьма в VI группе —сера, селен, теллур в VII группе — йод. Достаточно отчетливо можно представить общие закономерности и особегнюсти элементарных полупроводников, рассматривая такие полупроводники, как германий и кремний ( 13.5 и 13.6). [c.171]
Так, кремний и германий на внешней оболочке имеют по четыре электрона (рис. 30, а). Основным свойством полупроводников является резкое изменение их токопроводности под действием температуры или при наличии незначительных примесей. [c.44]
Выше было рассмотрено использование в термометрии по сопротивлению электронных полупроводников и других материалов, свойства которых сходны со свойствами полупроводников. Основное внимание уделялось изучению их поведения при температурах ниже 20° К, так как в этой области температур ощущается нужда в термометрах, которые могли бы служить таким же практическим стандартом, каким платиновый термометр является при температурах выше 20° К. Угольные термометры типа радиосопротивлений фирмы Аллен — Брэдли обладают большинством необходимых для этого свойств. Однако для некоторых лабораторных исследований необходимы термометры с другими характеристиками. Можно надеяться, что необходимость в них будет стимулировать дальнейшие поиски и исследования чувствительных к температуре сопротивлений в качестве термометров для всех температурных областей. [c.182]
Основными свойствами индия, которые определили его применение в гальванотехнике, являются низкий коэффициент трения, высокая стойкость в среде минеральных масел и продуктов их окисления, в атмосферных условиях. К недостаткам его относят низкие твердость и температуру плавления (156,4 °С). Покрытия индием используют в качестве антифрикционного слоя в под-щипниках качения и скольжения, в особенности при смазке минеральными маслами, для повышения отражательной способности рефлекторов, защиты от коррозии в некоторых специальных средах, при изготовлении полупроводников. Значительное применение для тех же целей находят сплавы на основе индия с добавками цинка, кадмия, свинца, никеля, серебра, которые обладают хорошими эксплуатационными свойствами и позволяют уменьшить расход редкого металла. [c.131]
Выпрямительнше сварочные установки. Эти установки собирают из полупроводниковых элел ентов, которые обладают свойством проводить ток только в одном направлении. В обратном направлении полупроводники практически не пропускают электрический ток. Основные свойства полупроводникового элемента характеризуются следующими величинами. Во-первых, допустимой плотностью выпрямленного тока, отнесенной к единице рабочей поверхности полупроводникового элемента эта величина зависит от условий охлаждения элемента. Интенсивное искусственное охлаждение позволяет в 2—2,5 раза поднять нагрузку элемента по сравнению с естественным охлаждением. Во-вторых, падением напряжения в полупроводниковом элементе, зависящим от величины выпрямленного тока и свойств полупроводника. В-третьих, величиной обратного напряжения. Две последние величины характеризуют технико-экономические свойства полупроводникового элемента, от них зависит к. п. д. выпрямителя. [c.71]
Теоретич. исследования иоказывают, что при этом предположении сохраняются основные свойства кристаллич. П. в энергетич, спектре имеются запрещенные зоны, разрешенные уровни образуют непрерывные или квазинепрерывные зоны, движение электрона (в 1-м приближении) описывается волнами, распространяющимися в твердом теле, т. е. электроны, как и в кристалле, квазисвободны, Т. о., структура спектра и др. особенности определяются не дальним, а ближним порядком в расположении атомов. Однако имеют место особенности, связанные с отсутствием дальнего порядка, напр, существует дополнительное, специфическое для аморфного тела рассеяние электронов в аморфных П. отсутствует примесная проводимость (см, также Жидкие полупроводники). [c.112]
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]

Помещаемый здесь справочный материал относится в основном к магнитным свойствам диэлектриков, обладающих антиферромагнитным упорядочением. Кроме того, приведены свойства некоторых антиферромагнит-ных полупроводников, металлов и металлических спла-вов . [c.652]
Наиболее ранними полупроводниковыми приборами, вошедшими в практику, были германиевые или кремниевые радиолокационные детекторы. Изучение их свойств, получение опыта их использования и достижения теории полупроводников создали условия для появления транзисторов и развития транзисторной электроники (1948 г.). Основными задачами ее были (да и продолжают оставаться) повышение рабочих частот транзисторов, увеличение отдаваемой ими мощности и увеличение рабочих напряжений для тех случаев, где в том встречается необходимость. В начале 50-х годов промышленностью уже были освоены высокочастотные маломощные транзисторы (рис. 71), и они сразу нашли себе применение в приемных устройствах. Вскоре появились смесительные диоды, используемые в сунергетеро- [c.382]
Из очищенного поликристалличе-ского германия или кремния выращивают, как правило, способом Чохраль-ского, монокристаллы, кристаллографическая ориентация которых определяется ориентацией затравки вращающейся и вытягиваемой из так же вращающегося расплава. Этот способ обеспечивает дополнительную очистку монокристалла полупроводника от примесей (табл. 3). Осуществляется он в вакууме или в атмосфере очищенного инертного газа или водорода. Чистота кремния определяется в основном содержанием примесного бора, очистка от которого методом безтигельной зонной плавки малоэффективна (табл. 2). Влияние же примесного бора на свойства кремния велико (табл. 4). В настоящее время разработаны способы очистки кремния, позволяющие получать монокристаллнческий кремний с электропроводностью, близкой по значению к собственной. [c.401]
Позтому для создания омич, контактов часто предпочитают сильно легированные приконтактные области полупроводника, образующие с основным его объёмом пзотопный гомопереход, напр, п —п (рис. 4), где переход образован сильно п ) п слабо (п) легированными областями. Такой переход обладает теми же свойствами, что и контакт металл — по-—лупроводннк с антизапорным слоем. Свойства такого омич, контакта не зависят от изгиба зон непосредственно у металла. [c.447]
Урок №6. Что такое полупроводники и их свойства.
В предыдущих уроках мы рассказывали о проводниках и диэлектриках и вскользь упомянули о том, что есть промежуточная форма проводимости, которая при определенных условиях может принимать свойства проводника или диэлектрика. Этот тип веществ называют полупроводниками.
Напомню: по электрическим свойствам полупроводники занимают среднее место между проводниками и непроводниками тока.
Наиболее часто для производства полупроводников используют германий, кремний, реже — селен, закись меди и другие вещества.
Свойства полупроводников.
Электропроводность полупроводников сильно зависит от окружающей температуры. При температуре, близкой к абсолютному нулю (- 273С), они ведут себя по отношению к электрическому току как изоляторы. Большинство же проводников, наоборот, при такой температуре становятся сверхпроводящими, т. е. почти не оказывают току никакого сопротивления. С повышением температуры проводников их сопротивление электрическому току увеличивается, а сопротивление полупроводников уменьшается. Электропроводность проводников не изменяется при действии на них света. Электропроводность же полупроводников под действием света, так называемая фотопроводность, повышается.

Полупроводники могут преобразовывать энергию света в электрический ток. Проводникам же это совершенно не свойственно. Электропроводность полупроводников резко увеличивается при введении в них атомов некоторых других элементов. Электропроводность же проводников при введении в них примесей понижается.
Германий и кремний, являющиеся исходными материалами многих современных полупроводниковых приборов, имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона. Всего же в атоме германия 32 электрона, а в атоме кремния 14. Но 28 электронов германия и 10 электронов кремния, находящиеся во внутренних слоях их оболочек, прочно удерживаются ядрами и ни при каких обстоятельствах не отрываются от них. Только четыре валентных электрона атомов этих полупроводников могут, да и то не всегда, стать свободными. Атом же полупроводника, потерявший хотя бы один электрон, становится положительным ионом. В полупроводнике атомы расположены в строгом порядке: каждый из них окружен четырьмя такими же атомами. Они к тому же расположены настолько близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг всех соседних атомов, связывая их в единое вещество.
Такую взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника можно представить себе в виде плоской схемы, как показано на рис. 1, а. Здесь большие шарики со знаком « + » условно изображают ядра атомов с внутренними слоями электронной оболочки (положительные ионы), а маленькие шарики — валентные электроны. Каждый атом, окружен четырьмя точно такими же. Любой из них связан с каждым соседним двумя валентными электронами, один из которых «свой», а второй заимствован у «соседа». Это двухэлектронная, или валентная, связь. Самая прочная связь! В свою очередь, внешний слой электронной оболочки каждого атома содержит восемь электронов: четыре своих и по одному от четырех соседних атомов. Здесь уже невозможно различить, какой из валентных электронов «свой», а какой «чужой», поскольку они стали общими. При такой связи атомов во всей массе кристалла германия или кремния можно считать, что кристалл полупроводника представляет собой одну большую молекулу. Схему взаимосвязи атомов в полупроводнике можно для наглядности упростить, изобразив ее так, как это сделано на рис. 1, 6. Здесь ядра атомов с внутренними электронными оболочками показаны в виде кружков со знаком плюс, а межатомные связи — двумя линиями, символизирующими валентные электроны.
Электропроводность полупроводников
При температуре, близкой к абсолютному нулю, полупроводник ведет себя как абсолютный непроводник, потому что в нем нет свободных электронов. Если повышения температуры нет, связь валентных электронов с атомными ядрами ослабевает и некоторые из них вследствие теплового движения могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится свободным (на рис. 1, б — черная точка), а там, где он был до этого, образуется пустое место. Это пустое место в межатомной связи полупроводника условно называют дыркой (на рис. 1 ,б — разорвавшаяся линия). Чем выше температура, тем больше появляется свободных электронов и дырок. Таким образом, образование в массе полупроводника дырки связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а возникновение дырки соответствует появлению положительного электрического заряда, равного отрицательному электрона.
Рис 1. Схема взаимосвязи атомов в кристале полупроводника (а) и упрощенная схема его структуры (б).
А теперь рассмотри рис. 2. На нем схематично изображено явление возникновения тока в полупроводнике. Причиной возникновения тока служит напряжение, приложенное к полюсам (на рис. 2 источник напряжения символизируют знаки « + » и « — »). Вследствие тепловых явлений во всей массе полупроводника высвобождается из межатомных связей некоторое количество электронов (на рис. 2 они обозначены точками со стрелками). Электроны, освобождавшиеся вблизи положительного полюса источника напряжения, притягиваются этим полюсом и уходят из массы полупроводника, оставляя после себя дырки. Электроны, ушедшие из межатомных связей на некотором удалении от положительного полюса, тоже притягиваются им и движутся в его сторону. Но, встретив на своем пути дырки, электроны как бы «впрыгивают» в них (рис. 2, а), происходит заполнение межатомных связей. А ближние к отрицательному полюсу дырки заполняются другими электронами, вырвавшимися из атомов, расположенных еще ближе к отрицательному полюсу (рис. 2, б). Пока в полупроводнике действует электрическое поле, этот процесс продолжается: нарушаются одни межатомные связи — из них уходят валентные электроны, возникают дырки — и заполняются другие межатомные связи — в дырки «впрыгивают» электроны, освободившиеся из каких — то других межатомных связей (рис. 2, б-в).
Рис 2. Схема движения электронов и дырок.
При температуре выше абсолютного нуля в полупроводнике непрерывно возникают и исчезают свободные электроны и дырки даже тогда, когда нет внешних электрических полей. Но электроны и дырки движутся хаотически в разные стороны и не уходят за пределы полупроводника. В чистом полупроводнике число высвободившихся в каждый момент времени электронов равно числу образующихся при этом дырок. Общее же их число при комнатной температуре относительно невелико. Поэтому электропроводность такого полупроводника, (называемая собственной), мала, он оказывает электрическому току довольно большое сопротивление. Но если в чистый полупроводник добавить даже ничтожное количество примеси в виде атомов других элементов, электропроводность его резко повысится. При этом в зависимости от структуры атомов примесных элементов электропроводность полупроводника будет электронной или дырочной.
Электронная проводимость
Если какой-либо атом в кристалле полупроводника заменить атомом сурьмы, имеющим во внешнем слое электронной оболочки пять валентных электронов, этот атом — «пришелец» четырьмя электронами свяжется с четырьмя соседними атомами полупроводника. Пятый же валентный электрон атома сурьмы окажется «лишним» и станет свободным. Чем больше в полупроводник будет введено атомов сурьмы, тем больше в его массе окажется свободных электронов. Следовательно, полупроводник с примесью сурьмы приближается по своим свойствам к металлу: для того чтобы через него проходил электрический ток, в нем не обязательно должны разрушаться межатомные связи. Их называют полупроводниками с электропроводностью или типа (n). Здесь латинская буква n — начальная буква латинского слова negativ (негатив), что значит «отрицательный». Этот термин в данном случае нужно понимать в том смысле, что в полупроводнике типа n основными носителями тока являются отрицательные заряды, т.е. электроны.
Дырочная проводимость
Совсем иная картина получится, если в полупроводник ввести атомы с тремя валентными электронами, например индия. Каждый атом металла индия своими тремя электронами заполнит связи только с тремя соседними атомами полупроводника, а для заполнения связи с четвертым у него не хватает одного электрона. Образуется дырка. Она, конечно, может заполниться каким — либо электроном, вырвавшимся из валентной связи с другими атомами полупроводника. Однако независимо от того, где будут дырки, в массе полупроводника с примесью индия не будет хватать электронов для их заполнения. И чем больше будет введено в полупроводник примесных атомов индия, тем больше в нем образуется дырок. Чтобы в таком полупроводнике электроны могли перемещаться, совершенно обязательно должны разрушаться валентные связи между атомами. Вырвавшиеся из них электроны или же электроны, поступившие в полупроводник извне, движутся от дырки к дырке. А во всей массе полупроводника в любой момент времени число дырок будет больше общего числа свободных электронов. Их называют полупроводниками с дырочной электропроводностью или тип (р). Латинская буква р — первая буква латинского слова positiv (позитив), что значит «положительный». Этот термин в данном случае нужно понимать в том смысле, что явление электрического тока в массе полупроводника типа (р) сопровождается непрерывным возникновением и исчезновением положительных зарядов — дырок. Перемещаясь в массе полупроводника, дырки как бы являются носителями тока. Полупроводники типа р, так же как и типа n, обладают во много раз лучшей электропроводностью по сравнению с чистыми.
Надо сказать, что практически не существует как совершенно чистых полупроводников, так и абсолютно электропроводимых типов n и р. В полупроводнике с примесью индия обязательно есть небольшое количество атомов некоторых других элементов, придающих ему электронную проводимость, а с примесью сурьмы есть атомы элементов, создающих в нем дырочную электропроводность. Например, в полупроводнике, имеющем в целом электропроводность типа n, есть дырки, которые могут заполняться свободными электронами примесных атомов сурьмы. Вследствие этого электропроводность несколько ухудшится, но в целом он сохранит электронную проводимость. Аналогичное явление будет наблюдаться и в том случае, если в полупроводник с дырочным характером попадут свободные электроны.
Поэтому в полупроводниках типа n — основными носителями тока являются электроны (преобладает электронная электропроводность), а к полупроводниках типа р — основными носителями тока являются дырки (преобладает дырочная электропроводность).
1. Свойства полупроводников: Hitachi High-Tech GLOBAL
Название «полупроводник» широко известно, но что такое полупроводники?
Полупроводники обладают определенными электрическими свойствами. Вещество, проводящее электричество, называется проводником, а вещество, не проводящее электричество, называется изолятором. Полупроводники — это вещества со свойствами где-то между ними.
Электрические свойства могут быть обозначены удельным сопротивлением.Такие проводники, как золото, серебро и медь, имеют низкое сопротивление и легко проводят электричество. Изоляторы, такие как резина, стекло и керамика, обладают высоким сопротивлением и плохо пропускают электричество. Полупроводники обладают чем-то средним по свойствам. Их удельное сопротивление может изменяться, например, в зависимости от температуры. При низкой температуре через них почти не проходит электричество. Но при повышении температуры электричество через них легко проходит.
Полупроводники, почти не содержащие примесей, почти не проводят электричество.Но когда к полупроводникам добавляются какие-то элементы, электричество легко проходит через них.
Полупроводники, состоящие из одного элемента, называются элементарными полупроводниками, включая знаменитый полупроводниковый материал кремний. С другой стороны, полупроводники, состоящие из двух или более соединений, называются составными полупроводниками и используются в полупроводниковых лазерах, светодиодах и т. Д.
Энергетический диапазон
Атом состоит из ядра и электронов, вращающихся вокруг ядра.
Электроны не могут вращаться вокруг ядра на любом расстоянии в атомном пространстве, окружающем ядро, но разрешены только определенные, очень специфические орбиты, и они существуют только на определенных дискретных уровнях. Эти энергии называются энергетическими уровнями. Большое количество атомов собирается в кристалл и взаимодействует в твердом материале, а затем энергетические уровни становятся настолько близко расположенными, что образуют полосы. Это энергетическая полоса.
Металлы, полупроводники и изоляторы отличаются друг от друга своей зонной структурой.Их ленточная структура показана на рисунке ниже.
В металлах зона проводимости и валентная зона очень близки друг к другу и могут даже перекрываться, причем энергия Ферми (Eｆ) находится где-то внутри. Это означает, что в металле всегда есть электроны, которые могут свободно перемещаться и поэтому всегда могут проводить ток. Такие электроны известны как свободные электроны. Эти свободные электроны ответственны за ток, протекающий через металл.
В полупроводниках и изоляторах валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной энергетической щелью (Eg) достаточной ширины, а энергия Ферми (Eｆ) находится между валентной зоной и зоной проводимости.Чтобы попасть в зону проводимости, электрон должен набрать достаточно энергии, чтобы перескочить через запрещенную зону. Как только это будет сделано, его можно будет проводить.
В полупроводниках при комнатной температуре ширина запрещенной зоны меньше, тепловой энергии достаточно, чтобы позволить электронам довольно легко перепрыгивать через зазор и переходить в зону проводимости, учитывая ограниченную проводимость полупроводника. При низкой температуре ни один электрон не обладает достаточной энергией, чтобы занять зону проводимости, и поэтому движение заряда невозможно.При абсолютном нуле полупроводники являются идеальными изоляторами. Плотность электронов в зоне проводимости при комнатной температуре не так высока, как в металлах, поэтому они не могут проводить ток так же хорошо, как металл. Электропроводность полупроводника не такая высокая, как у металла, но и не такая плохая, как у электрического изолятора. Именно поэтому этот вид материала называется полупроводником, то есть полупроводником.
Ширина запрещенной зоны изоляторов велика, поэтому очень немногие электроны могут перепрыгнуть через нее. Следовательно, ток в изоляторах не течет легко.Разница между изоляторами и полупроводниками заключается в величине запрещенной зоны. В изоляторе, где запрещенная зона очень велика, и в результате энергия, необходимая электрону для перехода в зону проводимости, практически достаточно велика. Изоляторы плохо проводят электричество. Это означает, что электрическая проводимость изолятора очень низкая.
Полупроводниковый кристалл, используемый для ИС и т. Д., Представляет собой монокристаллический кремний высокой чистоты с содержанием 99,999999999%, но при фактическом создании схемы добавляются примеси для контроля электрических свойств.В зависимости от добавленных примесей они становятся полупроводниками n-типа и p-типа.
Пятивалентный фосфор (P) или мышьяк (As) добавляют в кремний высокой чистоты для полупроводников n-типа. Эти примеси называются донорами. Энергетический уровень донора расположен близко к зоне проводимости, то есть запрещенная зона мала. Затем электроны на этом уровне энергии легко возбуждаются в зону проводимости и вносят свой вклад в проводимость.
С другой стороны, трехвалентный бор (B) и т. Д.добавлен к полупроводнику p-типа. Это называется акцептором. Уровень энергии акцептора близок к валентной зоне. Поскольку здесь нет электронов, здесь возбуждаются электроны в валентной зоне. В результате в валентной зоне образуются дырки, которые вносят вклад в проводимость.
Название «полупроводник» широко известно, но что такое полупроводники?
Полупроводники обладают определенными электрическими свойствами. Вещество, проводящее электричество, называется проводником, а вещество, не проводящее электричество, называется изолятором.Полупроводники — это вещества со свойствами где-то между ними.
Электрические свойства могут быть обозначены удельным сопротивлением. Такие проводники, как золото, серебро и медь, имеют низкое сопротивление и легко проводят электричество. Изоляторы, такие как резина, стекло и керамика, обладают высоким сопротивлением и плохо пропускают электричество. Полупроводники обладают чем-то средним по свойствам. Их удельное сопротивление может изменяться, например, в зависимости от температуры. При низкой температуре через них почти не проходит электричество.Но при повышении температуры электричество через них легко проходит.
Полупроводники, почти не содержащие примесей, почти не проводят электричество. Но когда к полупроводникам добавляются какие-то элементы, электричество легко проходит через них.
Полупроводники, состоящие из одного элемента, называются элементарными полупроводниками, включая знаменитый полупроводниковый материал кремний. С другой стороны, полупроводники, состоящие из двух или более соединений, называются составными полупроводниками и используются в полупроводниковых лазерах, светодиодах и т. Д.
Энергетический диапазон
Атом состоит из ядра и электронов, вращающихся вокруг ядра.
Электроны не могут вращаться вокруг ядра на любом расстоянии в атомном пространстве, окружающем ядро, но разрешены только определенные, очень специфические орбиты, и они существуют только на определенных дискретных уровнях. Эти энергии называются энергетическими уровнями. Большое количество атомов собирается в кристалл и взаимодействует в твердом материале, а затем энергетические уровни становятся настолько близко расположенными, что образуют полосы.Это энергетическая полоса.
Металлы, полупроводники и изоляторы отличаются друг от друга своей зонной структурой. Их ленточная структура показана на рисунке ниже.
В металлах зона проводимости и валентная зона очень близки друг к другу и могут даже перекрываться, причем энергия Ферми (Eｆ) находится где-то внутри. Это означает, что в металле всегда есть электроны, которые могут свободно перемещаться и поэтому всегда могут проводить ток. Такие электроны известны как свободные электроны.Эти свободные электроны ответственны за ток, протекающий через металл.
В полупроводниках и изоляторах валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной энергетической щелью (Eg) достаточной ширины, а энергия Ферми (Eｆ) находится между валентной зоной и зоной проводимости. Чтобы попасть в зону проводимости, электрон должен набрать достаточно энергии, чтобы перескочить через запрещенную зону. Как только это будет сделано, его можно будет проводить.
В полупроводниках при комнатной температуре ширина запрещенной зоны меньше, тепловой энергии достаточно, чтобы позволить электронам довольно легко перепрыгивать через зазор и переходить в зону проводимости, учитывая ограниченную проводимость полупроводника.При низкой температуре ни один электрон не обладает достаточной энергией, чтобы занять зону проводимости, и поэтому движение заряда невозможно. При абсолютном нуле полупроводники являются идеальными изоляторами. Плотность электронов в зоне проводимости при комнатной температуре не так высока, как в металлах, поэтому они не могут проводить ток так же хорошо, как металл. Электропроводность полупроводника не такая высокая, как у металла, но и не такая плохая, как у электрического изолятора. Именно поэтому этот вид материала называется полупроводником, то есть полупроводником.
Ширина запрещенной зоны изоляторов велика, поэтому очень немногие электроны могут перепрыгнуть через нее. Следовательно, ток в изоляторах не течет легко. Разница между изоляторами и полупроводниками заключается в величине запрещенной зоны. В изоляторе, где запрещенная зона очень велика, и в результате энергия, необходимая электрону для перехода в зону проводимости, практически достаточно велика. Изоляторы плохо проводят электричество. Это означает, что электрическая проводимость изолятора очень низкая.
Полупроводниковый кристалл, используемый для ИС и т. Д., Представляет собой монокристаллический кремний высокой чистоты с содержанием 99,999999999%, но при фактическом создании схемы добавляются примеси для контроля электрических свойств. В зависимости от добавленных примесей они становятся полупроводниками n-типа и p-типа.
Пятивалентный фосфор (P) или мышьяк (As) добавляют в кремний высокой чистоты для полупроводников n-типа. Эти примеси называются донорами. Энергетический уровень донора расположен близко к зоне проводимости, то есть запрещенная зона мала.Затем электроны на этом уровне энергии легко возбуждаются в зону проводимости и вносят свой вклад в проводимость.
С другой стороны, трехвалентный бор (B) и т. Д. Добавляется в полупроводник p-типа. Это называется акцептором. Уровень энергии акцептора близок к валентной зоне. Поскольку здесь нет электронов, здесь возбуждаются электроны в валентной зоне. В результате в валентной зоне образуются дырки, которые вносят вклад в проводимость.
Полупроводник
— Свойства, типы и применение — pnpntransistor
Мы все можем правильно послушать слово «полупроводники» !!! Здесь мы собираемся перейти к подробной статье, посвященной свойствам, типам и использованию полупроводников.Чтобы понять свойства полупроводникового материала , мы должны знать некоторые фундаментальные знания, связанные с полупроводниковым материалом. Мы также знаем типов полупроводников и использования полупроводников.
Итак, мы будем учиться шаг за шагом для лучшего понимания.
Что такое полупроводниковый материал?
Проще говоря, полупроводник — это вещество, которое имеет удельное сопротивление между проводником и изолятором. В общем, проводник имеет очень низкое удельное сопротивление, а изолятор — почти бесконечное удельное сопротивление.От (-4) до 0,5 Ом · м.
После изобретения транзистора, использующего полупроводниковые материалы, он заменил почти все электронные лампы. Из-за некоторых полезных свойств полупроводниковых материалов создается много электронных устройств, которые чрезвычайно полезны в электрических цепях. Диод, транзистор, MOSFET, TRIAC, DIAC и некоторые другие устройства являются примерами использования полупроводников.
Обратите внимание, что полупроводник не зависит только от удельного сопротивления. Полупроводники обладают некоторыми свойствами, которые мы сейчас изучим.
Каковы свойства полупроводников?
Все основные свойства полупроводникового материала перечислены ниже:
⇒ Удельное сопротивление полупроводникового материала больше, чем у изолятора, и меньше, чем у проводника.
⇒ Полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления , т.е. сопротивление полупроводника уменьшается с повышением температуры и наоборот . Например, германий на самом деле является изолятором при низких температурах, но он становится хорошим проводником при высоких температурах.
⇒ Когда в полупроводник добавляется подходящая металлическая примесь (, например, мышьяк, галлий и т. Д.), Его токопроводящие свойства заметно изменяются.
⇒ Электрические свойства полупроводника : полупроводники в нейтральном состоянии ведут себя как плохие проводники, но есть некоторые методы протекания тока через полупроводники. Легируя полупроводник, он ведет себя как проводящий материал и позволяет току проходить через него.
⇒ В некоторых полупроводниках возбужденные электроны могут релаксировать, излучая свет вместо выделения тепла.Эти полупроводники используются при изготовлении светодиода. что является оптическим свойством полупроводника.
Мы можем лучше понять свойства полупроводника по энергетической полосе.
Энергетическая зона для полупроводников
Полупроводники — это материалы, проводимость которых находится между проводником и изолятором. Мы можем понять это с помощью теории энергетических зон. В полупроводниках энергетическая зона почти заполнена, а зона проводимости почти пуста. Нам требуется некоторая энергия для перемещения электронов из валентной зоны в зону проводимости.
В полупроводнике запрещенная зона очень мала, как показано на рисунке. [В изоляционном материале запрещенная зона настолько велика, что электрон не может пройти через нее. В проводниках валентная зона и зона проводимости перекрывают друг друга, что означает отсутствие зазора между ними.] Короче говоря, полупроводник имеет
Тесьма с набивкой
Пустая зона проводимости
Малая запрещенная зона (около 1 эВ)
При низкой температуре валентная зона полупроводника полностью заполнена, а зона проводимости пуста, поэтому он ведет себя как изолятор или плохой проводник.При высокой температуре или даже при комнатной температуре часть электронов переходит в зону проводимости из валентной зоны. Они увеличивают проводимость полупроводника. С повышением температуры проводимость полупроводника увеличивается.
Влияние температуры на полупроводник
Электропроводность полупроводникового материала изменяется при изменении температуры. Это может быть важным моментом для полупроводникового материала. Здесь мы подробно рассмотрим влияние температуры на полупроводник.Мы увидим влияние на полупроводник с двумя температурами.
1. При температуре абсолютного нуля : При температуре абсолютного нуля все электроны прочно удерживаются атомами полупроводника. При этой температуре ковалантные связи настолько сильны, что отсутствуют свободные электроны. Следовательно, полупроводниковый кристалл при этой температуре ведет себя как изолятор.
2. При температуре выше абсолютного нуля : Когда температура повышается, некоторые ковалантные связи разрываются из-за тепловой энергии.Разрыв связей создает свободные электроны. Таким образом, в полупроводнике существует несколько электронов, которые могут протекать через него. Это также называется «с повышением температуры сопротивление полупроводника уменьшается».
Обычно используемые полупроводниковые материалы
Доступно много полупроводников, но некоторые из них имеют практическое применение в электронике. Кремний (Se) и германий (Ge) — широко используемые полупроводники. Эти полупроводники широко используются, потому что энергия, необходимая этим двум материалам для высвобождения электронов из их валентной зоны, слишком мала.Кремнию требуется 1,1 эВ, а германию — 0,7 эВ для высвобождения электрона из зоны проводимости. Кремний и германий — основные примеры полупроводников.
Вы также можете обратиться к этой книге в формате pdf по энергосистеме для дальнейшего изучения. Скачать — vk Mehta book pdf
Виды полупроводников
Полупроводники обычно делятся на два типа:
Внутренний полупроводник
Внешний полупроводник
Теперь подробно рассмотрим типы полупроводников.
Внутренний полупроводник
Полупроводник в очень чистой форме называется внутренним полупроводником.
В собственном полупроводнике электронно-дырочная пара создается даже при комнатной температуре. В этом типе полупроводников, когда напряжение, приложенное между этим материалом, ток проходит через материал из-за свободных электронов и дырок. Вы можете обратиться к этому рисунку.
Свободные электроны образуются из-за разрыва ковалантной связи под действием тепловой энергии.В то же время в ленте соваланса создаются дыры. Следовательно, полный ток, проходящий через полупроводник, представляет собой сумму тока, обусловленного электронами и дырками.
Ток, протекающий по внешнему проводу, зависит только от электрона. Вы можете подумать, а что насчет дыр? Верно!!!. Для этого обратитесь к рисунку выше, положительно заряженные дырки движутся к отрицательному выводу B. Когда дырки достигают отрицательного вывода, электроны входят в отверстия, тем самым нейтрализуя их. В то же время на клемме A электроны притягиваются от атома к клемме аккумулятора.Следовательно, на клемме A создаются новые отверстия, и этот процесс повторяется. Таким образом, основным свойством собственного полупроводника является то, что ток проходит через этот тип полупроводника как дырками, так и электронами.
Внешний полупроводник
Собственные полупроводники имеют плохую проводимость при комнатной температуре. Для увеличения их проводимости в полупроводниковый материал добавляются примеси. Этот тип полупроводников, содержащих примеси, называется примесным полупроводником.
Процесс добавления примесей в полупроводник называется легированием. Основная цель этого — увеличить количество электронов или дырок в кристалле полупроводника. В зависимости от добавленных примесей можно выбрать полупроводник p-типа или n-типа.
Когда в полупроводниковый материал добавляется пятивалентная примесь, в полупроводнике образуется большое количество свободных электронов. Этот тип полупроводников называют полупроводниками n-типа. Вы также можете указать разницу между полупроводниковым материалом p-типа и n-типа.
Когда трехвалентная примесь добавляется к полупроводниковому материалу, в полупроводнике создаются дыры. Этот тип полупроводника называют полупроводником n-типа.
Итак, свойство внешнего полупроводника состоит в том, что ток проходит через полупроводник только электронами.
Использование полупроводников
Полупроводники чрезвычайно полезны в производстве электронных устройств. Полупроводники используются для изготовления диодов, BJT, MOSFET, фотоэлементов, UJT, JFET, TRIAC, DIAC и многих других.Транзистор, состоящий из полупроводника, широко используется в качестве электрического переключателя в схемах. Он также используется в цепи усилителя. Полупроводники используются в солнечной технологии. Датчик температуры, который используется в кондиционерах, изготовлен из полупроводниковых приборов. Вы должны проверить это подробно — применение полупроводника
Заключение
Надеюсь, вы знаете все об основных свойствах и типах полупроводников. Мы видели, что полупроводник — это материал, проводимость которого находится между проводником и изолятором.Полупроводники имеют плохую проводимость при низкой температуре. С повышением температуры увеличивается проводимость материала. Кремний и германий (Ge) — обычные полупроводники, которые широко используются в электронике.
Мы можем легко контролировать проводимость полупроводникового материала, что полезно для изготовления таких устройств из этого материала. Диод, транзистор, полевой МОП-транзистор, фотоэлемент и другие устройства изготовлены из полупроводниковых материалов. Мы видели типы полупроводников. Собственные полупроводники — это чистые полупроводники, а внешний полупроводник — это полупроводники, которые содержат некоторые примеси.
Надеюсь, вам понравилась эта статья. Если у вас есть какие-либо сомнения относительно свойств полупроводника и типов полупроводников, просьба прокомментировать их ниже. Мы также видели использование полупроводников, которые помогут вам больше узнать о полупроводниках.
Продолжить чтение
Что такое полупроводник — Свойства полупроводников
Силициновый полосовой детектор Источник: micronsemiconductor.co.uk
В общем, полупроводники — это материалы, неорганические или органические, которые могут контролировать свою проводимость в зависимости от химической структуры, температуры, освещенности и т. Д. и наличие легирующих добавок.Название полупроводник происходит от того факта, что эти материалы имеют электрическую проводимость между проводимостью металла, такого как медь, золото и т. Д., И изолятора, такого как стекло. У них ширина запрещенной зоны меньше 4 эВ (около 1 эВ). В физике твердого тела эта запрещенная зона представляет собой энергетический диапазон между валентной зоной и зоной проводимости, где электронные состояния запрещены. В отличие от проводников, электроны в полупроводнике должны получать энергию (например,от ионизирующего излучения), чтобы пересечь запрещенную зону и достичь зоны проводимости. Свойства полупроводников определяются шириной запрещенной зоны между валентной зоной и зоной проводимости. Чтобы понять, что такое полупроводник, мы должны дать определение этим терминам.
Свойства полупроводников
Чтобы понять разницу между металлами , полупроводниками и электрическими изоляторами , мы должны определить следующие термины из физики твердого тела:
Валентная зона .В физике твердого тела валентная зона и зона проводимости являются зонами, ближайшими к уровню Ферми и, таким образом, определяют электропроводность твердого тела. В электрических изоляторах и полупроводниках валентная зона — это самый высокий диапазон энергий электронов, в котором электроны обычно присутствуют при абсолютной нулевой температуре. Например, атом кремния имеет четырнадцать электронов. В основном состоянии они расположены в электронной конфигурации [Ne] 3s ² 3p ² .Из них четыре являются валентными электронами , занимающими 3s-орбиталь и две из 3p-орбиталей. Различие между валентной зоной и зоной проводимости не имеет смысла в металлах, потому что проводимость происходит в одной или нескольких частично заполненных зонах, которые приобретают свойства как валентной зоны, так и зоны проводимости.
Проводящая лента . В физике твердого тела валентная зона и зона проводимости являются зонами, ближайшими к уровню Ферми, и, таким образом, определяют электропроводность твердого тела.В электрических изоляторах и полупроводниках зона проводимости является самым низким диапазоном из свободных электронных состояний . На графике электронной зонной структуры материала валентная зона расположена ниже уровня Ферми, а зона проводимости расположена выше него. В полупроводниках электроны могут достигать зоны проводимости, когда они возбуждены , например, ионизирующим излучением (т.е. они должны получать энергию выше E _зазор ).Например, алмаз — это широкозонный полупроводник (E _gap = 5,47 эВ) с высоким потенциалом в качестве материала электронного устройства во многих устройствах. С другой стороны, германий имеет небольшую ширину запрещенной зоны (E _gap = 0,67 эВ), что требует работы детектора при криогенных температурах. Различие между валентной зоной и зоной проводимости не имеет смысла в металлах, потому что проводимость происходит в одной или нескольких частично заполненных зонах, которые приобретают свойства как валентной зоны, так и зоны проводимости.
Ширина полосы . В физике твердого тела запрещенная зона или запрещенная зона — это диапазон энергий между валентной зоной и зоной проводимости, где электронные состояния запрещены. В отличие от проводников, электроны в полупроводнике должны получать энергию (например, от ионизирующего излучения), чтобы пересечь запрещенную зону и достичь зоны проводимости. Ширина запрещенной зоны , естественно, различается для разных материалов. Например, алмаз — это широкозонный полупроводник (E _gap = 5.47 эВ) с высоким потенциалом в качестве материала электронного устройства во многих устройствах. С другой стороны, германий имеет небольшую ширину запрещенной зоны (E _gap = 0,67 эВ), что требует работы детектора при криогенных температурах.
Уровень Ферми . Термин «уровень Ферми» происходит от статистики Ферми-Дирака , которая описывает распределение частиц по энергетическим состояниям в системах, состоящих из фермионов (электронов), которые подчиняются принципу исключения Паули. Поскольку они не могут существовать в идентичных энергетических состояниях, уровень Ферми — это термин, используемый для описания верхней части набора из уровней энергии электронов при абсолютной нулевой температуре.Уровень Ферми — это поверхность моря Ферми при абсолютном нуле, где у электронов не будет достаточно энергии, чтобы подняться над поверхностью. В металлах уровень Ферми лежит в гипотетической зоне проводимости, в которой возникают свободные электроны проводимости. В полупроводниках положение уровня Ферми находится внутри запрещенной зоны, примерно посередине запрещенной зоны.
Электронно-дырочная пара . В полупроводнике свободных носителей заряда — это электронов и электронных дырок (электронно-дырочные пары).Электроны и дырки создаются путем возбуждения электрона из валентной зоны в зону проводимости. Электронная дырка (часто называемая просто дыркой) — это отсутствие электрона в том месте, где он мог бы существовать в атоме или атомной решетке. Это один из двух типов носителей заряда, ответственных за создание электрического тока в полупроводниковых материалах. Поскольку в нормальном атоме или кристаллической решетке отрицательный заряд электронов уравновешивается положительным зарядом атомных ядер, отсутствие электрона оставляет чистый положительный заряд в месте расположения дыры.Положительно заряженные дырки могут перемещаться от атома к атому в полупроводниковых материалах, когда электроны покидают свои позиции. Когда электрон встречается с дыркой, они рекомбинируют, и эти свободные носители эффективно исчезают. Рекомбинация означает, что электрон, который был возбужден из валентной зоны в зону проводимости, возвращается в пустое состояние в валентной зоне, известное как дырки.
Проводимость полупроводника может быть смоделирована в терминах зонной теории твердых тел .Зонная модель полупроводника предполагает, что при обычных температурах существует конечная вероятность того, что электроны могут достичь зоны проводимости и внести свой вклад в электрическую проводимость. В полупроводнике свободные носители заряда (электронно-дырочные пары) создаются путем возбуждения электрона из валентной зоны в зону проводимости. Это возбуждение оставило дыру в валентной зоне, которая ведет себя как положительный заряд, и создается электронно-дырочная пара. Иногда отверстия могут сбивать с толку, поскольку они не являются физическими частицами в отличие от электронов, а скорее представляют собой отсутствие электрона в атоме. Дырки могут перемещаться от атома к атому. в полупроводниковых материалах, когда электроны покидают свои позиции.
Электронное возбуждение в полупроводниках
Энергия для возбуждения может быть получена разными способами.
Thermal Excitation
Электронно-дырочные пары также постоянно генерируются за счет тепловой энергии при отсутствии какого-либо внешнего источника энергии. Для теплового возбуждения не требуется никакой другой формы пускового импульса. Это явление происходит также при комнатной температуре.Это вызвано примесями, неоднородностью кристаллической решетки или легирующей добавкой. Оно сильно зависит от зазора E _{(расстояние между валентной зоной и зоной проводимости), так что для более низкого зазора} E _{количество термически возбужденных носителей заряда увеличивается. Поскольку тепловое возбуждение приводит к шуму детектора, для некоторых типов полупроводников (например, германия) требуется активное охлаждение. Детекторы на основе кремния обладают достаточно низким уровнем шума даже при комнатной температуре. Это вызвано большой шириной запрещенной зоны кремния (Egap = 1.12 эВ), что позволяет нам эксплуатировать детектор при комнатной температуре, но для уменьшения шума предпочтительнее охлаждение.}
Оптическое возбуждение
Обратите внимание, что энергия одного фотона видимого светового спектра сравнима с этими значениями ширины запрещенной зоны. Фотоны с длинами волн 700–400 нм имеют энергию 1,77 эВ 3,10 эВ. В результате видимый свет может возбуждать электроны в зону проводимости. Собственно, это принцип фотоэлектрических панелей, вырабатывающих электрический ток.
Возбуждение ионизирующим излучением
Электроны могут достигать зоны проводимости, когда они возбуждены ионизирующим излучением (т.е.е. они должны получать энергию выше, чем Egap). В общем, тяжелые заряженные частицы передают энергию главным образом:
Возбуждением. Заряженная частица может передавать энергию атому, поднимая электроны на более высокие энергетические уровни.
Ионизация. Ионизация может произойти, когда заряженная частица имеет достаточно энергии, чтобы удалить электрон. Это приводит к созданию ионных пар в окружающем веществе.
Удобной переменной, описывающей ионизационные свойства окружающей среды, является тормозная способность .Классическое выражение, описывающее удельные потери энергии, известно как формула Бете. Для альфа-частиц и более тяжелых частиц тормозная способность большинства материалов очень высока для тяжелых заряженных частиц, и эти частицы имеют очень короткие пробеги.
В дополнение к этим взаимодействиям бета-частицы также теряют энергию из-за радиационного процесса, известного как тормозное излучение . Согласно классической теории, когда заряженная частица ускоряется или замедляется, она должна излучать энергию , а замедляющее излучение известно как тормозное излучение («тормозное излучение») .
Фотоны (гамма-лучи и рентгеновские лучи) могут ионизировать атомы напрямую (несмотря на то, что они электрически нейтральны) посредством фотоэлектрического эффекта и эффекта Комптона, но вторичная (непрямая) ионизация гораздо более значима. Хотя известно большое количество возможных взаимодействий, существует три основных механизма взаимодействия с веществом.
Во всех случаях частица ионизирующего излучения выделяет часть своей энергии на своем пути. Частица, проходящая через детектор, ионизирует атомы полупроводника, образуя электронно-дырочных пар .Например, типичная толщина кремниевого детектора составляет около 300 мкм, поэтому количество генерируемых электронно-дырочных пар минимальной ионизирующей частицей (MIP), проходящей перпендикулярно через детектор, составляет около 3,2 x 10 ⁴ . Эта величина незначительна по сравнению с общим количеством свободных носителей в собственном полупроводнике с поверхностью 1 см ² и той же толщины. Обратите внимание, что образец чистого германия при 20 ° C содержит около 1,26 × 10 ²¹ атомов, но также содержит 7.5 x 10 ¹¹ свободных электронов и 7,5 x 10 ¹¹ дырок, постоянно генерируемых за счет тепловой энергии. Как видно, отношение сигнал / шум (S / N) будет минимальным. Добавление 0,001% мышьяка (примеси) дает дополнительные 10 ¹⁵ свободных электронов в том же объеме, а электрическая проводимость увеличивается в 10 000 раз. В легированном материале отношение сигнал / шум (S / N) будет еще меньше. Охлаждение полупроводника — один из способов снизить это соотношение.
Улучшение может быть достигнуто за счет использования напряжения обратного смещения к P-N переходу для истощения детектора свободных носителей, что является принципом большинства кремниевых детекторов излучения. В этом случае отрицательное напряжение прикладывается к стороне p, а положительное — ко второй. Дырки в p-области притягиваются от перехода к p-контакту и аналогично для электронов и n-контакта.
Полупроводниковые материалы: типы, свойства и процесс производства
Полупроводниковый материал — это разновидность электронных материалов с полупроводниковыми свойствами, которые могут использоваться для изготовления полупроводниковых устройств и интегральных схем.Различные внешние факторы, такие как свет, тепло, магнетизм и электричество, будут действовать на полупроводники и вызывать некоторые физические эффекты и явления, которые можно назвать свойствами полупроводника. Большинство основных материалов, из которых состоят твердотельные электронные устройства, являются полупроводниками. Различные типы полупроводниковых устройств имеют разные функции и характеристики из-за различных свойств полупроводников.
Каталог
I Введение
Вещества и материалы в природе можно разделить на три категории: проводники, полупроводники и изоляторы в зависимости от их проводимости.Удельное сопротивление полупроводника составляет от 1 мОм · см до 1 ГОм · см. Как правило, проводимость полупроводника увеличивается с температурой, что противоположно металлическому проводнику.
Все материалы с двумя вышеуказанными характеристиками могут рассматриваться как полупроводниковые материалы. Различные внешние факторы, такие как свет, тепло, магнетизм и электричество, будут действовать на полупроводники и вызывать некоторые физические эффекты и явления, которые можно назвать свойствами полупроводника. Большинство основных материалов, из которых состоят твердотельные электронные устройства, являются полупроводниками.Различные типы полупроводниковых устройств имеют разные функции и характеристики из-за различных свойств полупроводников.
Основная химическая характеристика полупроводников — это насыщенных ковалентных связей между атомами. Ковалентная связь имеет структуру тетраэдрической решетки, поэтому типичные полупроводниковые материалы имеют структуру алмаза или сфалерита (ZnS). Поскольку большинство минералов на Земле представляют собой соединения, самыми ранними доступными полупроводниковыми материалами были соединения.Например, галенит (PbS) использовался для радиообнаружения очень рано, закись меди (Cu2O) использовалась в качестве твердого выпрямителя, сфалерит (ZnS) — хорошо известный твердотельный люминесцентный материал, а карбид кремния (SiC) — в качестве твердотельного выпрямителя. применяется для исправления и обнаружения.
Рис. 1. Тетраэдрические структуры ковалентной связи
Селен (Se) — первый обнаруженный и использованный элементарный полупроводник, важный материал для твердотельных выпрямителей и фотоэлектрических элементов.Электронные устройства начали переходить на транзисторы после открытия элементарного полупроводника германия (Ge). Использование элементарного полупроводникового кремния (Si) не только увеличило количество типов и улучшило характеристики транзисторов, но также принесло в мир крупномасштабные и сверхбольшие интегральные схемы . Кроме того, открытие соединений AIIIBV, представленных арсенидом галлия (GaAs), способствовало быстрому развитию микроволновых и оптоэлектронных устройств.
II Основные типы полупроводниковых материалов
Полупроводниковые материалы можно разделить по химическому составу , а аморфные и жидкие полупроводники с особыми структурами и свойствами отдельно классифицируются по категориям.На основе этого метода классификации полупроводниковые материалы можно разделить на элементы, неорганические, органические и аморфные, а также жидкие полупроводниковые материалы.
1. Элементные полупроводниковые материалы
Одиннадцать типов полупроводниковых элементов распределены в группах IIIA – IVA периодической таблицы. C, P, Se имеют две формы диэлектрика и полупроводника; B, Si, Ge, Te обладают полупроводностью; Sn, As, Sb имеют две формы полупроводника и металла. Точка плавления и точка кипения P слишком низкие, а давление пара I слишком высокое, что облегчает его разложение, поэтому они имеют небольшую практическую ценность.Стабильные состояния As, Sb и Sn — это металлы, а полупроводники — нестабильные состояния. B, C и Te не использовались из-за трудностей в подготовке и ограничений производительности. Поэтому среди этих полупроводников из 11 элементов использовались только Ge, Si и Se. А Ge и Si являются наиболее широко используемыми материалами во всех полупроводниковых материалах.
2. Неорганические составные полупроводниковые материалы
Этот вид полупроводникового материала можно подразделить на бинарную систему , тройную систему , четвертичную систему, и так далее.
●
Бинарные составные полупроводниковые материалы
① Группы IV-IV: Сплавы SiC и Ge-Si имеют структуру сфалерита.
② Группа III-V: состоит из элементов группы III Al, Ga, In и элементов группы V P, As и Sb. Типичный представитель — GaAs. Все эти элементы имеют структуру сфалерита и уступают только Ge и Si в приложениях, которые имеют большие перспективы развития.
Рисунок 2 .Ширина запрещенной зоны бинарных полупроводниковых материалов группы V и группы III-V в зависимости от параметра кубической решетки
③ Группа II-VI: это соединения, образованные элементами группы II Zn, Cd, Hg и группы VI. элементы S, Se, Te, которые являются важными оптоэлектронными материалами. ZnS, CdTe и HgTe имеют структуру сфалерита.
④ Группа I-VII: Соединения, образованные элементами группы I Cu, Ag, Au и элементами группы VII Cl, Br, I, среди которых CuBr и CuI имеют структуру сфалерита.
⑤ Группы V-VI: Соединения, образованные элементами группы V As, Sb, Bi и элементами VI S, Se, Te, такими как Bi2Te3, Bi2Se3, Bi2S3, As2Te3 и т. Д., Которые являются важными термоэлектрическими материалами.
⑥ Оксиды группы B и элементы переходной группы Cu, Zn, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni в четвертом цикле являются основными материалами термисторов.
⑦ Соединения некоторых редкоземельных элементов Sc, Y, Sm, Eu, Yb, Tm и V, элементы N, As или элементы VI группы S, Se, Te.
В дополнение к этим соединениям бинарной системы существует твердых полупроводниковых материалов , таких как Si-AlP, Ge-GaAs, InAs-InSb, AlSb-GaSb, InAs-InP, GaAs-GaP и т.п. Изучение этих твердых растворов может сыграть значительную роль в улучшении определенных свойств отдельного материала или открытии новых областей применения.
Рисунок 3 . Бинарная фазовая диаграмма, отображающая твердые растворы во всем диапазоне относительных концентраций
●
Полупроводниковые материалы с тройными соединениями
Группа ① : Он состоит из атомов группы II и группы IV, заменяющих два атома группы III в группы III-V, такие как ZnSiP2, ZnGeP2, ZnGeAs2, CdGeAs2, CdSnSe2 и т.п.
Группа ② : один атом группы I и один атом группы III находятся вместо двух атомов группы II в группах II-VI, таких как CuGaSe2, AgInTe2, AgTlTe2, CuInSe2, CuAlS2 и т. Д.
Группа ③ : Он состоит из одного атома группы I и одного атома группы V вместо двух атомов группы III, таких как Cu3AsSe4, Ag3AsTe4, Cu3SbS4, Ag3SbSe4 и т.д. сложные конструкции.
3. Полупроводниковые материалы на основе органических соединений
Нафталин, антрацен, полиакрилонитрил, фталоцианин и некоторые ароматические соединения являются хорошо известными органическими полупроводниками, но они еще не использовались в качестве полупроводниковых материалов. 4 .Структурные M модели S ilicons
III Свойства полупроводникового материала
1. Характеристические параметры
Хотя существует много типов полупроводниковых материалов, они обладают некоторыми присущими свойствами, которые называют характеристическими параметрами полупроводниковых материалов. Эти параметры могут отражать различия между полупроводниковыми материалами и другими неполупроводниковыми материалами, но, что более важно, отражать количественные различия в характеристиках различных полупроводниковых материалов и даже одного и того же материала в разных ситуациях.
Характерные параметры обычно используемых полупроводниковых материалов:
●
Ширина запрещенной зоны
Она определяется электронным состоянием и атомной конфигурацией полупроводника, отражая энергию, которая заставляет валентные электроны в атомах возбуждаться от связанное состояние в свободное состояние.
●
Удельное сопротивление и подвижность носителей
Они представляют собой проводимость материала. Носителями являются электроны и дырки, участвующие в проводимости полупроводников.
●
N Время жизни равновесных носителей
Обозначает релаксационное свойство внутренних носителей, переходящее из неравновесного состояния в равновесное состояние под внешним воздействием (например, светом или электрическим полем).
●
Плотность дислокаций
Дислокации являются наиболее распространенными типами дефектов кристаллов. Плотность дислокаций можно использовать для измерения степени целостности решетки полупроводниковых монокристаллических материалов.Конечно, для аморфных полупроводников такого характерного параметра нет.
Рисунок 5. Crystal D efects
2. Требования к рабочим характеристикам
●
Требования к рабочим характеристикам транзисторов
В соответствии с принципом работы транзисторов требуются материалы иметь большой неравновесный срок службы носителя и подвижность носителя .Транзисторы, изготовленные из материалов с высокой подвижностью носителей, могут работать на более высоких частотах с лучшей частотной характеристикой. Дефекты кристалла могут повлиять на свойства транзистора или даже вызвать его выход из строя. Предел рабочей температуры транзистора определяется размером запрещенной зоны. Чем больше ширина запрещенной полосы, тем выше температурный предел для нормальной работы транзистора.
●
Требования к характеристикам оптоэлектронных устройств
Диапазон частот излучения, применимый к детекторам излучения, в которых используется фотопроводимость (повышенная проводимость после освещения) полупроводников, зависит от ширины запрещенной зоны материала.Чем больше время жизни неравновесных носителей в материале, тем выше чувствительность детектора и больше время релаксации детектора. Поэтому трудно сбалансировать высокую чувствительность и короткое время релаксации.
Для солнечных элементов , чтобы получить высокую эффективность преобразования, требуется материал с большим временем жизни неравновесных носителей и умеренной шириной запрещенной зоны (от 1,1 до 1,6 электронвольт). Дефекты кристаллов могут значительно снизить световую отдачу полупроводниковых светодиодов и полупроводниковых лазерных диодов.
Рисунок 6. B andgap & E fficiency of S olar C ells
●
Требования к рабочим характеристикам термоэлектрических устройств Чтобы повысить эффективность преобразования термоэлектрических устройств, между двумя концами устройства должна быть большая разница температур . Когда температура при низкой температуре (обычно температура окружающей среды) фиксирована, разница температур определяется высокой температурой, которая является рабочей температурой термоэлектрического устройства.Кроме того, чтобы адаптироваться к высокой рабочей температуре, ширина запрещенной зоны материала не должна быть слишком маленькой, и требуются большая электродвижущая сила, небольшое удельное сопротивление и небольшая теплопроводность.
IV Материальная технология полупроводников
Размер характерных параметров полупроводникового материала сильно зависит от примесных атомов и кристаллических дефектов в материале. Например, удельное сопротивление может широко варьироваться в зависимости от типа и количества примесных атомов, в то время как подвижность носителей и время жизни неравновесных носителей обычно уменьшаются с увеличением количества примесных атомов и дефектов кристалла.
С другой стороны, различные полупроводниковые свойства полупроводниковых материалов неотделимы от роли различных примесных атомов. Как правило, мы должны максимально уменьшить и устранить дефекты кристаллов, но в некоторых случаях также желательно контролировать их до определенного уровня, и даже если дефекты уже существуют, их можно использовать после соответствующей обработки.
Чтобы ограничить и использовать примесных атомов и дефектов кристаллов, необходимо разработать набор методов получения удовлетворительных полупроводниковых материалов, который представляет собой так называемую технологию полупроводниковых материалов.Эти процессы можно грубо охарактеризовать как очистку, получение монокристаллов и эпитаксиальный рост тонких пленок. В основном мы обсудим процесс очистки и экспитаксиального роста тонких пленок.
1. Очистка
Очистка полупроводниковых материалов в основном предназначена для удаления примесей из материалов. Методы очистки можно разделить на химические и физические.
Химическая очистка заключается в превращении материалов в промежуточные соединения для систематического удаления определенных примесей и окончательного удаления материалов (элементов) из соединения, которое легко разлагается.
Рис. 7. Традиционный химический способ очистки кремния.
Физическая очистка обычно используется в технологии плавления. Полупроводниковый материал отливают в слиток, и область плавления определенной длины формируется с одного конца слитка. Из-за сегрегации примесей в процессе затвердевания после того, как зона плавления многократно перемещается от одного конца к другому, примеси концентрируются на обоих концах слитка.Когда два конца удалены, остальное становится материалом более высокой чистоты. Кроме того, существуют физические методы, такие как вакуумное испарение и вакуумная перегонка. Германий и кремний являются полупроводниковыми материалами высочайшей чистоты, которые могут быть получены, и доля основных примесных атомов может быть меньше одной из десяти миллиардов.
2.
Тонкопленочный эпитаксиальный рост
Большинство полупроводниковых устройств изготавливаются на одной пластине или на эпитаксиальной пластине с одной пластиной в качестве подложки.Монокристаллы полупроводников получают методом выращивания из расплава. Метод Чохральского является наиболее широко используемым. 80% монокристалла кремния, большая часть монокристалла германия и монокристалл антимонида индия производятся этим способом, при этом максимальный диаметр монокристалла кремния достиг 300 мм. Метод Чохральского с магнитным полем в расплаве называется магнетронным методом Чохральского, с помощью которого можно получить монокристалл кремния с высокой однородностью.Добавление жидкого покрывающего агента на поверхность расплава тигля называется методом Чохральского с жидким уплотнением, который применяется для монокристаллов с высоким давлением диссоциации, таких как арсенид галлия, фосфид галлия и фосфид индия.

Рис. 8. Процесс Чохральского Процесс Чохральского
Расплав в методе плавления с плавающей зоной не контактирует с контейнером, который может производить монокристалл кремния высокой чистоты.Для получения монокристаллов германия применяют горизонтальную зонную плавку. Метод горизонтально ориентированной кристаллизации в основном используется для получения монокристалла арсенида галлия, а метод вертикально ориентированной кристаллизации используется для теллурида кадмия и арсенида галлия.
Рис. 9. Схема системы измельчения с плавающей зоной
После получения монокристаллов их следует отправить на ориентацию кристаллов, шлифование цилиндров, эталонную поверхность, нарезку, шлифование, снятие фасок, полировку, травление , чистка, осмотр, упаковка и т. д.быть превращенными в соответствующие пластины.
Рост тонкой монокристаллической пленки на монокристаллической подложке называется эпитаксией . Эпитаксиальные методы включают газовую, жидкую, твердофазную и молекулярно-лучевую эпитаксию. В промышленном производстве в основном используется химическая парофазная эпитаксия, за которой следует жидкофазная эпитаксия. Парофазная эпитаксия и молекулярно-лучевая эпитаксия металлоорганических соединений используются для создания микроструктур, таких как квантовые ямы и сверхрешетки. Аморфные, микрокристаллические и поликристаллические тонкие пленки в основном изготавливаются на стеклянных, керамических, металлических и других подложках с помощью различных методов химического осаждения из газовой фазы, магнетронного распыления и других методов.
V Характеристики отрасли полупроводниковых материалов
Промышленность полупроводниковых материалов имеет четыре характеристики:
1. Крупные промышленные масштабы
Согласно статистике SEMI (Ассоциация полупроводникового оборудования и материалов), мировой рынок промышленности полупроводниковых материалов размер в 2016 году достиг 44,3 миллиарда долларов, что составляет почти 15% от размера мировой полупроводниковой промышленности в 2016 году, что составляет примерно 300 миллиардов долларов.
2.Подразделенные торговые структуры
Полупроводниковые материалы являются наиболее подразделенными областями в цепочке полупроводниковой промышленности. Среди них вафельные материалы включают кремниевые пластины, фоторезисты, поддерживающие фоторезисты реагенты, влажные электронные химикаты, электронные газы, полирующие материалы CMP и целевые материалы. Материалы для упаковки микросхем включают подложки корпуса, выводные рамки, смолы, соединительные провода, шарики припоя и растворы для нанесения покрытий. В то же время химические вещества для влажной электроники также включают в себя различные реагенты, такие как кислоты и щелочи, производимые сотнями подразделений промышленности.

Рис. 10. Кремниевые пластинчатые диски
3. Высокий технический порог
Как правило, технический порог для полупроводниковых материалов выше, чем для других материалов в электронике и производстве. Он имеет высокие требования к чистоте и сложные процессы. А в процессе исследований и разработок требуется испытание партии для последующих производственных линий. Кроме того, для разных процессов производства микросхем у последующих производителей разные требования к материалам, что приводит к различным параметрам материалов.
4. Низкие производственные затраты
Хотя общий отраслевой масштаб полупроводниковых материалов огромен, из-за многочисленных подотраслей суб-материалов, отдельные суб-материалы часто составляют относительно низкую долю в стоимости полупроводников. производство. Если взять материал мишени в качестве примера, доля полупроводниковых мишеней в полупроводниковых материалах составляет около 3%, а стоимость производства составляет всего от 3 до 5 центов от полупроводниковых материалов.
Рекомендуемые Статьи :
Основные сведения об аттенюаторах
Введение в диммеры TRIAC и TRIAC
Электрические свойства полупроводников — обзор
1.1.4.1 Введение — легирующие примеси и примеси в кремнии
Полупроводники — это твердые материалы, имеющие промежуточную электрическую проводимость между проводниками и изоляторами. Физическая причина, по которой материал ведет себя как проводник, полупроводник или изолятор, заключается в наличии или отсутствии свободных носителей тока в материале. Полупроводники характеризуются узкой запрещенной зоной между валентными зонами, занятыми электронами, и зоной проводимости, в которой электроны свободно перемещаются в соответствии с приложенными электрическими полями.Собственные (то есть чистые) полупроводники действуют как изоляторы при комнатных температурах, но их поведение резко меняется с температурой и, что более важно, с небольшими примесями, присутствующими в кристалле. Очень небольшое количество электрически активных примесей может полностью изменить электрические свойства полупроводников, таких как кремний. Это связано с тем, что электрически активные примеси либо легко отдают валентные электроны (доноры), либо принимают их, создавая дырки (акцепторы). Эти электроны или дырки свободны (т.е., не связанные с отдельными атомами). Их движение из-за приложенных электрических полей несет электрические токи, что дает начало термину носители заряда , используемому для их обозначения.
Таким образом, электрические свойства полупроводниковых материалов, таких как монокристаллический кремний, определяются концентрациями примесей, присутствующих в решетке кремния. Примеси вводятся в исходные материалы во время роста кристаллов и модифицируются во время обработки устройства путем дополнительного легирования кремниевого материала электрически активными примесями.При преднамеренном легировании кремния используются примесные атомы группы III (акцепторы) и группы V (доноры). Примеси, используемые при вытягивании кристаллов, и проводимость, достигаемая при определенных концентрациях примесей, более подробно описаны в разделах 3.1 и 3.3, разделе 3.1, разделе 3.3, «Легирующие примеси в кристаллах кремния».
Манипулирование электрическими свойствами в структурах, созданных при производстве устройств MEMS, следует практикам, принятым в производстве полупроводниковых устройств.Используемые методы включают как очень традиционные методы, такие как глубокая диффузия легирующих добавок, от которых отказались в основных полупроводниковых процессах, так и современные стандартные методы, такие как ионная имплантация и эпитаксиальное осаждение. Хотя исходные материалы полупроводникового качества в значительной степени не содержат других электрически активных примесей, включение непреднамеренного загрязнения в кремний во время обработки может существенно повлиять на электрические свойства производимых устройств.
Непреднамеренное легирование кремния включает введение в кристаллическую решетку нежелательных доноров или акцепторов из среды обработки. Эти примеси могут быть либо неправильно размещенными атомами групп III / V, либо другими загрязняющими веществами, такими как некоторые переходные металлы.
Генерация электрически активных доноров также происходит внутри самого монокристаллического кремния CZ без введения дополнительных примесей. Кремний CZ всегда включает несколько частей на миллион атомов межузельного кислорода, происходящих из кварцевого тигля, используемого для удержания расплава во время вытягивания кристалла (см. Также главу 3: Свойства кристаллов кремния).При определенных температурах, в диапазоне от 400 ° C до 550 ° C, эти межузельные атомы создают конгломераты из нескольких атомов кислорода внутри решетки. Такие кремний-кислородные микрокластеры известны как тепловые доноры (ТД), поскольку они отдают свободные электроны в зону проводимости, соответственно влияя на электрические свойства [22,23]. Однако концентрация обычно ниже 10 ¹⁵ × см ^-3 и, таким образом, оказывает лишь очень незначительное влияние на кремний, отличный от кремния с высоким удельным сопротивлением. Эти доноры нестабильны при температурах выше 600 ° C, и даже для приложений, требующих кремния с высоким удельным сопротивлением, их влияние можно подавить путем быстрого охлаждения в диапазоне температур генерации.Этот метод называется TD-отжигом, и, хотя он эффективен, он не предотвращает образование новых TD, если температуры в критическом диапазоне используются позже при обработке устройства. Дополнительные сведения см. В разделе 3.6.
Использование полупроводников основано на том факте, что на концентрацию носителей заряда также влияют любые присутствующие электрические поля. Это может происходить намеренно, как, например, в транзисторах, но также из-за электрических полей, создаваемых поверхностными эффектами, такими как зарядка.Эти эффекты более выражены в высокоомном кремнии, но в целом их следует учитывать.
В подавляющем большинстве случаев электроника, необходимая для реализации датчика на основе МЭМС, состоит из основных строительных блоков полупроводниковой электроники, используемых с момента зарождения полупроводниковой промышленности на основе кремния и описанных в основных руководствах отрасли, такие как Sze [24]. В приложениях MEMS, требующих очень высокого удельного сопротивления, в таких областях, как ВЧ и оптика, применяются особые соображения.Очевидно, что на используемые материалы с очень высоким удельным сопротивлением сильно влияют даже самые маленькие концентрации непреднамеренных носителей заряда. Эти непреднамеренные носители заряда могут быть введены в материал такими методами, как генерация TD (описанная ранее), окисление и загрязнение поверхности, если доноры / акцепторы впоследствии не испаряются. В кремнии с очень высоким удельным сопротивлением эти эффекты могут быть серьезными, а в некоторых случаях даже приводить к изменению типа.
Какие свойства полупроводников делают их полезными в электронных устройствах? Узнайте ответ здесь
Нас окружает мир металлов и неметаллов.Железо, медь, алюминий — это лишь некоторые из наиболее часто используемых металлов, в то время как резина, пластик, керамика и т. Д. — это некоторые из неметаллов, которые используются ежедневно. Металлы, как правило, очень хорошо проводят электричество, тогда как неметаллы — в основном изоляторы. Но остаются некоторые вещества, такие как кремний, германий и т. Д., Которые в чистом виде не проводят электричество. Когда к ним добавляются определенные примеси, они начинают проводить электричество. При более низких температурах полупроводники имеют более высокое удельное сопротивление (т.е.е., более низкая проводимость), но с повышением температуры их удельное сопротивление уменьшается, и они начинают проводить электричество.
Полупроводники бывают двух типов, в зависимости от типа добавленных в них примесей.
Полупроводники n-типа образуются, когда полупроводниковый материал, такой как кремний, германий и т. Д., Легируется пятивалентной примесью, такой как фосфор и мышьяк.
Большинство носителей заряда — электроны.
Полупроводники p-типа образуются, когда мы используем для легирования трехвалентные примеси, такие как алюминий или бор.Большинство носителей заряда — дырки.
Свойства полупроводников делают их полезными в электронных устройствах.
Полупроводники не содержат нитей, поэтому энергия не тратится на нагрев нитей для эмиссии электронов.
Полупроводники не требуют нагрева и, следовательно, сразу же активируются при переключении цепи.
При работе полупроводника не возникает дребезжащего шума.
Полупроводники ударопрочные.
Полупроводники удобны в кармане и легко доступны.
Полупроводники требуют очень низкого напряжения для работы.
Схемы, разработанные с использованием полупроводников, очень компактны.
Полупроводники имеют неограниченный срок службы.
По сравнению с электронными лампами, полупроводники не имеют проблем с вакуумным износом.
Полупроводники имеют очень низкие межэлектродные емкости, что делает их полезными в высокочастотных устройствах.
Электрические свойства полупроводников — обзор
1 Введение
1.1 Общие сведения
В последние годы химики и физики приложили немало усилий для открытия новых наноматериалов для различных приложений (Haque et al., 2018). Одним из наиболее подвижных направлений химических исследований является разработка неорганических наноматериалов, включая металлы, полупроводники и изоляторы в диапазоне размеров 1–100 нм (Haque et al., 2018). Динамическое поведение низкоразмерных полупроводников также стало важной частью недавних исследований. Это позволило провести интенсивные исследования, связанные с их новыми оптическими, механическими и транспортными явлениями. Доступны различные низкоразмерные полупроводники, в том числе квантовые проволоки, квантовые ямы и квантовые точки (Xu et al., 2018). Среди них большую популярность приобрели квантовые точки (Chen et al., 2019). Квантовые точки — это нульмерные структуры, в которых электроны делокализованы по всем трем пространственным измерениям, что приводит к «эффекту квантового ограничения» (Rao et al., 2019a; Чакраборти и др., 2019). Квантовое ограничение происходит, когда размер нанокристалла становится меньше по сравнению с удвоенным радиусом Бора, который затем становится слабым, когда он превышает радиус Бора (Bergren et al., 2016).
В полупроводниковых нанокристаллах, когда фотон поглощает энергию, превышающую энергию запрещенной зоны полупроводника, это приводит к генерации электронно-дырочных пар или экситонов, в которых электроны и дырки связаны электростатическим притяжением. Среднее расстояние между электроном и дыркой в экситоне порядка боровского радиуса.Оптические и электрические свойства полупроводникового нанокристалла затем становятся зависимыми от его физических размеров, когда его размер приближается к размеру радиуса Бора (Chakraborty et al., 2019).
Люминесцентные полупроводниковые квантовые точки демонстрируют замечательную фотостабильность, широкие профили поглощения, высокие квантовые выходы и стабильность к фотообесцвечиванию. Контролируемые люминесцентные характеристики формы и размера квантовых точек возникают из-за эффекта квантового ограничения, который позволяет использовать связанные материалы, такие как оптическое изображение, для эквивалентного исследования разнородных аналитов.Большие стоксовые и тонкие полосы излучения смещаются в спектрах люминесценции квантовых точек, что позволяет эффективно связывать другие флуорофоры или квантовые точки с излучаемым светом (Owen and Brus, 2017). Следовательно, эти системы широко исследовались как потенциальные материалы для разноцветных фотолюминесцентных зондов, люминесцентных биологических меток, маркеров для визуализации, излучателей в светоизлучающих диодах, усиливающих сред в лазерах, светоуборочных комбайнов в фотовольтаике, фотокатализе и в различных приложениях для обработки окружающей среды (Sundheep и другие., 2019; Рамачандран и др., 2019; Маллик и др., 2019).
1.2 Потребность в устойчивом развитии
Чистая окружающая среда, вода и энергия являются основными потребностями для выживания человека и экономического развития (Gopinath et al., 2019). Однако рост спроса на различные продукты побудил производителей использовать рискованные, но прибыльные способы производства, что привело к долгосрочным угрозам для окружающей среды (Zandi et al., 2019). Кроме того, использование энергии из ископаемых видов топлива, таких как нефть, природный газ и уголь, привело к загрязнению воздуха и водных объектов (BusaidiBaawain et al., 2019). Ограниченная доступность ископаемых видов топлива и их нерегулируемое ежегодное увеличение потребления могут привести к энергетическим кризисам в будущем. После подписания Киотского протокола в 2005 году эти вопросы возникли в глобальном сценарии весьма спорным образом (Chen and Chen, 2002). Формулировка и реализация комплексного набора политик, направленных на одновременное решение проблем энергетики и окружающей среды, столкнулись с рядом проблем в такой развитой стране, как Соединенные Штаты Америки (Greening and Bernow, 2004).Однако нынешняя политика и технологии неэффективны для реализации долгосрочных целей (Andrews and Govil, 1995). Чтобы справиться с энергетическим кризисом, связанным с использованием ископаемого топлива, и с загрязнением окружающей среды, существует большая потребность в более зеленых и устойчивых источниках, которые могут решить проблемы, связанные как с энергией, так и с окружающей средой.
Нанотехнологии могут быть очень многообещающей областью для развития устойчивого развития. Это новая область, которая может способствовать разработке более разумных материалов, способных как генерировать энергию, так и разрушать токсичные загрязнители окружающей среды.Он занимается проектированием материалов и манипуляциями с ними на молекулярном уровне. Быстрая разработка новых наноматериалов может создать возможности для инноваций в новых продуктах и высокопроизводительных приложений (Jyothi et al., 2019). Изготовление таких новых функциональных материалов с регулируемыми размерами, формами, кристалличностью, пористостью и структурой имеет большое значение для новых инноваций в устойчивых энергетических технологиях (RoyDas et al., 2019). Это также позволяет изготавливать материалы, обладающие определенными функциональными возможностями, способными распознавать конкретный загрязнитель в смеси (Dharupaneedi et al., 2019). Таким образом, огромный прогресс в нанотехнологиях может привести к базовому пониманию физики в наномасштабе, чтобы контролировать свойства системы и искать новые материалы для энергетики и защиты окружающей среды (Chung et al., 2012).
Низкоэнергетический синтез наноматериалов на основе растворов позволит использовать их в устройствах (Bera et al., 2019). Среди наноматериалов потенциальными кандидатами являются фотоактивные наночастицы оксида металла, квантовые точки и наноматериалы на основе углерода, поскольку они полагаются на солнечный свет, который сам по себе является чистым и устойчивым источником энергии.Эффект квантового ограничения в наноматериалах, таких как квантовые точки, привел к появлению многих увлекательных оптоэлектронных функций, которые делают их весьма подходящими кандидатами для приложений, связанных с энергетикой и окружающей средой. Более того, такие интеллектуальные функциональные материалы могут быть полезны при разработке чистых и устойчивых источников энергии, а также для устройств на основе очистки воды и воздуха. Нанокомпозиты на основе углерода, такие как углеродные квантовые точки (ККТ), могут играть важную роль в этом отношении благодаря своим отличительным оптоэлектронным свойствам.В последние годы эти экологически чистые материалы на основе углерода широко исследуются на предмет применения фотоэлектрических систем, разделения воды и их способности разлагать вредные загрязнители (Sarkar et al., 2016; Reddy et al., 2019a, 2019b; Mishra et al. , 2019a; Rao et al., 2019b).
1.3 Углеродные квантовые точки (ККТ)
Наноматериалы на основе углерода приобрели большое значение благодаря своим выдающимся оптическим, электронным, механическим и оптическим характеристикам (Sarkar et al., 2016). Среди них углеродные точки (CD) имеют наибольшее значение из-за их биосовместимости, обилия сырья в природе, низкой токсичности, устойчивости к фотообесцвечиванию и экономической эффективности (Wang et al., 2014). С их размерами в диапазоне 1–10 нм эти материалы классифицируются как полимерные точки (PD), квантовые точки графена (GQD) и углеродные квантовые точки (CQD) (Sarkar et al., 2016). ККТ представляют собой нульмерные флуоресцентные углеродные наноматериалы, содержащие sp ² гибридизированных атома углерода с поверхностной пассивностью по отношению к кислородсодержащим функциональным группам, таким как гидроксильные и карбоксильные группы. В отличие от других полупроводников, ККТ химически инертны, биосовместимы, могут быть легко функционализированы и устойчивы к фотообесцвечиванию (Linehan and Doyle, 2014).Их выдающиеся фотофизические свойства, биосовместимость и низкая стоимость делают их идеальными в областях биоимиджинга (Roy et al., 2019), зондирования (Shetti et al., 2019a) и фотокатализа.
Исследователи сообщили о нескольких основных разработках модификаций CQD и их приложений. Однако проблемы, основанные на оптических и электронных свойствах, в основном связаны с дефектами в CQD, агломерация CQD во время синтеза CQD влияет на однородность по размеру и поверхностные свойства.До настоящего времени подходы к точному контролю дефектов в CQD недоступны. Следовательно, необходимо приложить больше усилий для структурного синтеза CQD с атомарной точностью. Кроме того, критически важными проблемами являются модификация CQD с контролируемой функционализацией и допирование CQD. Большинство CQD в фотокатализе продемонстрировали ограниченную светособирающую способность, но имеется лишь несколько отчетов о фотостабильности нанокомпозитов на основе CQD, что означает дальнейшую разработку стабильных фотокаталитических систем на основе CQD для полезных применений (Duarah and Карак, 2019; Ghosh et al., 2019; Mishra et al., 2019b). В биомедицинской области сообщалось о многих исследованиях, основанных на токсичности CQD и связанном с ними механизме. C-точки считаются компетентными наноархитектурами для доставки лекарств и биоизображения, но их низкий размер и поверхностные характеристики препятствуют их более широкому использованию (Kaushik et al., 2019; Gulla et al., 2019). Чтобы преодолеть проблемы биоразлагаемости и токсичности, были разработаны новые флуоресцентные материалы, такие как CQD, обладающие лучшей оптической, биологической, химической инертностью и низкой токсичностью по сравнению с полупроводниковыми квантовыми точками (Deng et al., 2019).
Этот своевременный обзор суммирует модификации поверхности и настройку запрещенной зоны ККТ различными новыми металлами и оксидами металлов. В обзоре будет рассмотрен взгляд на изменение оптических свойств при модификации поверхности CQD. В более поздних частях больше внимания будет уделено приложениям для обработки / расщепления воды, таким как обнаружение ионов тяжелых металлов, фотодеградация красителей и производство CQD H ₂.
No related posts.

Провод