Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

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

Дырка

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

Собственная плотность

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

Также, плотность дырок полупроводника связана с температурой следующим соотношением:

Собственная плотность связана с и следующим соотношением:

Виды полупроводников

По характеру проводимости

Собственная проводимость

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

Проводимость связана с подвижностью частиц следующим соотношением:

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

Для собственного полупроводника концентрации носителей совпадают и формула принимает вид:

Примесная проводимость

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

По виду проводимости

Электронные полупроводники (n-типа)

Полупроводник n-типа

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

Проводимость N-полупроводников приблизительно равна:

Дырочные полупроводники (р-типа)

Полупроводник p-типа

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

Проводимость p-полупроводников приблизительно равна:

Использование в радиотехнике

Полупроводниковый диод

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

Связь между разницей потенциалов и концентрацией примесей выражается следующей формулой:

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

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

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

Транзистор

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

Биполярный транзистор используют для усиления электрического тока.

Типы полупроводников в периодической системе элементов

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

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

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

Физические свойства и применение

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

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

Легирование

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

Методы получения

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

Оптика полупроводников

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

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

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

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

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

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

Список полупроводников

Полупроводниковые соединения делят на несколько типов:

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

Широкое применние получили следующие соединения:

A III B V

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

• CdSb, ZnSb

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Современные представления об электрических свойствах веществ

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

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

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

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

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

Свойства полупроводников определяются шириной запрещенной зоны

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

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

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

Два вида проводимости полупроводников – электронная и дырочная

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

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

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

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

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

Все дело в примесях

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

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

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

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

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

Переход металл-полупроводник

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

Омические контакты

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

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

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

Выпрямляющие контакты

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

История полупроводникового детектора

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

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

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

Электронно-дырочный переход

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

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

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

Протекание через переход прямого тока

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

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

Протекание через переход обратного тока

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

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

Иные применения свойства полупроводников

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

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

С открытием полупроводников и изучением их свойств стало возможным создание схем на диодах и транзисторах. Вскоре из-за лучших эксплуатационных характеристик и меньших размеров они вытеснили электронные лампы, затем стало возможным производить интегральные микросхемы на основе полупроводниковых элементов.

Что такое полупроводники

Дать определение полупроводникам – это охарактеризовать их с точки зрения способности к проведению электротока. У данных кристаллических веществ увеличивается электропроводность при возрастании температуры, воздействии света, присутствии различных примесей.

Полупроводники бывают широкозонные и узкозонные, что обуславливает свойства полупроводниковых материалов. От ширины запрещенной зоны, измеряемой в электронвольтах (эВ), зависит электропроводность. Этот параметр можно представить как энергию, которая требуется электрону для проникновения в зону проведения электротока. В среднем для полупроводников она 1 эВ, может быть больше или меньше.

Если правильность кристаллической решетки полупроводников нарушается чужеродным атомом, то такая проводимость будет примесной. Когда полупроводниковые вещества предназначены для создания элементов микросхемы, в них специально добавляют примеси, которые образуют повышенные скопления дырок или электронов:

• донорные – с большей валентностью, отдают электроны;
• акцепторные – с меньшей валентностью, забирают электроны, образуя дырки.

Важно! Главный фактор, влияющий на электропроводность проводников, – температура.

Как обеспечивается проводимость

Примерами полупроводников являются кремний, германий. В кристаллах этих веществ атомы имеют ковалентные связи. Когда растет температура, некоторые электроны могут освобождаться. После этого атом, потерявший электрон, становится положительно заряженным ионом. А электрон, не будучи способным перейти к другому атому из-за насыщенности связей, оказывается свободным. Под воздействием электрического поля освободившиеся электроны могут двигаться в направленном потоке.

Ион, потерявший электрон, стремится «отобрать» другой у ближайшего атома. Если у него это получается, то уже этот атом остановится ионом, в свою очередь, пытаясь заместить потерянный электрон. Таким образом, происходит движение «дырок» (положительных зарядов), которое тоже может стать упорядоченным в электрическом поле.

Повышенная температура позволяет электронам энергичнее освобождаться, что приводит к уменьшению сопротивления полупроводника и возрастанию проводимости. Электроны и дырки соотносятся примерно в равных пропорциях в беспримесных кристаллах, такая проводимость называется собственной.

Проводимость p-типа и n-типа

Примесные виды проводимости подразделяются на:

1. Р-типа. Образуется при добавлении акцепторной примеси. Более низкая валентность примеси вызывает формирование повышенного числа дырок. Для четырехвалентного кремния такой примесью может служить трехвалентный бор;
2. N-типа. Если к кремнию добавить пятивалентную сурьму, то в полупроводнике возрастет число освободившихся электронов-носителей отрицательного заряда.

Полупроводниковые элементы в основном функционируют на основе особенностей p-n-перехода. Когда два материала с разным типом проводимости привести в соприкосновение, на границе между ними будет происходить взаимопроникновение электронов и дырок в противоположные зоны.

Важно! Процесс взаимообмена полупроводниковых материалов положительными и отрицательными зарядоносителями имеет временные границы – до формирования запирающего слоя.

Носители положительного и отрицательного заряда накапливаются в соединенных частях, с двух сторон от линии соприкосновения. Возникающая разность потенциалов может достигать 0,6 В.

Когда элемент с p-n-переходом попадает в электрическое поле, его проводимость будет зависеть от подключения источника питания (ИП). При «плюсе» на части с р-проводимостью и «минусе» на части с n-проводимостью запирающий слой уничтожится, и через переход пойдет ток. Если ИП подключить противоположным образом, запирающий слой еще больше увеличится и пропустит электроток ничтожно малой величины.

Важно! Р-n-переход обладает односторонней проводимостью.

Использование полупроводников

На основе свойств полупроводников созданы различные приборы, применяющиеся в радиотехнике, электронике и других областях.

Диод

Односторонняя проводимость полупроводниковых диодов определила область их применения – в основном, при выпрямлении переменного тока. Другие виды диодов:

1. Туннельный. В нем применяются полупроводниковые материалы с таким содержанием примесей, что ширина p-n-перехода резко уменьшается, и становится возможным эффект туннельного пробоя при прямом включении. Используются в ВЧ-устройствах, генераторах, технике для измерений;
2. Обращенный. Несколько измененный туннельный диод. При прямом подключении напряжение, его открывающее, намного ниже в сравнении с классическими диодами. Это предопределяет использование туннельного диода для преобразования токов малых напряжений;
3. Варикап. Когда p-n-переход закрыт, его емкость достаточно высока. Варикап используется как конденсатор, емкость которого можно варьировать изменением напряжения. Емкость будет снижаться, если обратное напряжение растет;

1. Стабилитрон. Подключается параллельно, стабилизирует напряжение на заданном участке;
2. Импульсный. Из-за коротких переходных процессов применяются для импульсных ВЧ-схем;
3. Лавинно-пролетный. Используется для генерации колебаний сверхвысокой частоты. В основе – лавинообразное размножение зарядоносителей.

Этот диод состоит не из двух полупроводниковых материалов, вместо этого полупроводник контактирует с металлом. Так как металл не имеет кристаллическую структуру, дырок в нем быть не может. Значит, в месте соприкосновения его с полупроводниковым материалом к проникновению способны только электроны с обеих сторон, совершая работу выхода. Это становится возможным, когда:

• имеется полупроводник n-типа, и работа выхода его электронов меньше, чем у металла;
• имеется полупроводник р-типа с работой выхода его электронов большей, чем у металла.

В месте контакта полупроводник потеряет зарядоносители, проводимость его снизится. Создается барьер, который преодолевается прямым напряжением необходимого значения. Обратное напряжение практически запирает диод, работающий как выпрямитель. Диоды Шоттки из-за высокого быстродействия используются в импульсных схемах, в вычислительных устройствах, служат они и качестве силовых диодов для выпрямления тока значительной величины.

Практически ни одна микросхема не обходится без транзисторов, полупроводниковых элементов с двумя p-n-переходами. Транзисторный элемент имеет три выводных контакта:

• коллектор;
• база;
• эммитер.

Если на базу подается маломощный сигнал управления, между коллектором и эммитером пропускается намного больший ток. Когда на базу сигнал не подается, ток не проводится. Таким образом, можно регулировать силу тока. Используется прибор для усиления сигнала и бесконтактной коммутации цепи.

Виды полупроводниковых транзисторов:

1. Биполярные. Обладают положительными и отрицательными зарядоносителями. Протекающий ток способен проходить в прямом и обратном направлении. Применяются в качестве усилителей;
2. Полевые. Их выводы называются сток, исток, затвор. Управление производится посредством электрического поля определенной полярности. Сигнал, подаваемый на затвор, может изменять проводимость транзистора. Зарядоносители в полевых приборах могут быть только с одним знаком: положительные либо отрицательные. Мощные полевые транзисторы используются в усилителях звука. Основное их применение – интегральные схемы. Компактные размеры и малое энергопотребление делают возможным устанавливать их в приборах с источниками напряжения малой мощности (часы);
3. Комбинированные. Могут располагаться совместно с другими транзисторными элементами, резисторами в одной монолитной структуре.

Легирование полупроводников

Легирование – это введение примесных элементов, донорных и акцепторных, в кристаллы полупроводников для регулирования их проводимости. Это происходит в период выращивания кристаллов или путем местного внедрения в отдельных зонах.

Применяемые методы:

1. Высокотемпературная диффузия. Полупроводниковый кристалл разогревают, и примесные атомы, находящиеся в контакте с его поверхностью, попадают вглубь. В некоторых узлах кристаллической решетки примесные атомы замещают атомы основного вещества;
2. Ионная имплантация. Происходят ионизация и ускорение примесных атомов, которые бомбардируют монокристалл, создавая местные неоднородности и формируя p-n-переходы;
3. Лазерное облучение. Преимущество способа в том, что, используя направленное излучение, отдельные участки можно разогреть до любых температурных значений, что облегчает ввод примесей;
4. Нейтронное легирование. Применяется сравнительно недавно. Заключается в облучении монокристалла тепловыми нейтронами в реакторе, в результате чего происходит мутация атомных ядер. Атомы кремния преобразуются в фосфорные.

Существуют и другие способы легирования: химическое травление, создание тонких пленок путем напыления.

Как получают полупроводники

Главным в получении полупроводников является их очистка от ненужных примесей. Среди множества способов их получения можно выделить два, наиболее часто применяемых:

1. Зонная плавка. Процесс осуществляется в запаянном кварцевом контейнере, куда подается инертный газ. Расплавляется узкая зона слитка, которая постепенно перемещается. В процессе плавления примеси перераспределяются и рекристаллизируются, выделяя чистую часть;
2. Метод Чохральского. Заключается в выращивании кристалла из затравки путем постепенного вытягивания из расплавленного состава.

Разновидности полупроводниковых материалов

Различия в составе определяют область применения полупроводников:

1. К простым – относятся однородные вещества, применяющееся самостоятельно, а также в качестве примесей и составляющих частей сложных материалов. Кремний, селен и германий используются самостоятельно. Бор, сурьма, теллур, мышьяк, сера, иод служат добавками;
2. Сложные материалы представляют собой химические соединения из двух или нескольких элементов: сульфиды, теллуриды, карбиды;
3. Оксиды кобальта, меди, европия используются в выпрямительных и фотоэлементах;
4. Органические полупроводники: индол, акридон, флавантрон, пентацен. Одна из областей их использования – оптическая электроника;
5. Магнитные полупроводники. Это ферромагнетические материалы, например, сульфид и оксид европия, а также антиферромагнетические – оксид никеля, теллурид европия. Применяются в радиотехнике, оптических устройствах, управляемых магнитным полем.

Сейчас трудно назвать область техники, где не было бы полупроводниковых материалов, используемых в том числе при отсутствии p-n-перехода, например, термосопротивления в температурных датчиках, фотосопротивления в пультах ДУ и другие.

Видео

Что такое полупроводник и с чем его едят?

Полупроводник - материал, без которого не мыслим современный мир техники и электроники. Полупроводники проявляют свойства металов и неметаллов в тех или иных условиях. По значению удельного электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное положение между хорошими проводниками и диэлектриками. Полупроводник отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от наличия в кристаллической решетки элементов-примесей (примесные элементы) и концентрации этих элементов, а также от температуры и воздействия различных видов излучения.
Основное свойство полупроводника - увеличение электрической проводимости с увеличением температуры.
Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия - к узкозонным. Ширина запрещённой зоны - это ширина энергетического зазора между дном зоны проводимости и потолком валентной зоны, в котором отсутствуют разрешённые состояния для электрона.
Величина ширины запрещённой зоны имеет важное значение при генерации света в светодиодах и полупроводниковых лазерах и определяет энергию испускаемых фотонов.

К числу полупроводников относятся многие химические элементы: Si кремний, Ge германий, As мышьяк, Se селен, Te теллур и другие, а также всевозможные сплавы и химические соединения, например: йодид кремния, арсенид галлия, теллурит ртути и др.). В общем почти все неорганические вещества окружающего нас мира являются полупроводниками. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий по приблизительным подсчетам почти 30 % земной коры.

В зависимости от того, отдаёт ли атом примесного элемента электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Донорские и акцепторные свойства атома примесного элемента зависят также того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.
Как выше упоминалось, проводниковые свойства полупроводников сильно зависит от температуры, а при достижениитемпературы абсолютного нуля (-273°С) полупроводники имеют свойства диэлектриков.

По виду проводимости полупроводники подразделяют на n-тип и р-тип

Полупроводник n-типа

По виду проводимости полупроводники подразделяют на n-тип и р-тип.

Полупроводник n-типа имеет примесную природу и проводит электрический ток подобно металлам. Примесные элементы, которые добавляют в полупроводники для получения полупроводников n-типа, называются донорными. Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд, переносимый свободным электроном.

Теория процесса переноса заряда описывается следующим образом:

В четырёхвалентный Si кремний добавляют примесный элемент, пятивалентный As мышьяка. В процессе взаимодействия каждый атом мышьяка вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Но остается пятый свободный атом мышьяка, которому нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную орбиту, где для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный, способный переносить заряд. Таким образом перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам.
Также сурьмой Sb улучшают свойства одного из самых важных полупроводников – германия Ge.

Полупроводник p-типа

Полупроводник p-типа, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными.
«p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего положительный заряд основных носителей.
Например в полупроводник, четырёхвалентный Si кремний, добавляют небольшое количество атомов трехвалентного In индия. Индий в нашем случае будет примесным элементом, атомы которого устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Но у кремния остается одна свободная связь в то время, как у атома индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, образуя так называемую дырку и соответственно дырочный переход.
По такой же схеме In ндий сообщает Ge германию дырочную проводимость.

Исследуя свойства полупроводниковых элементов и материалов, изучая свойства контакта проводника и полупроводника, экспериментируя в изготовлении полупроводниковых материалов, О.В. Лосев 1920-х годах создал прототип современного светодиода.

При изучении тепловых явлений говорилось, что по способности проводить теплоту вещества делятся на хорошие и плохие проводники тепла.

По способности передавать электрические заряды вещества также делятся на несколько классов: проводники, полупроводники и непроводники электричества.

Проводниками называют тела, через которые электрические заряды могут переходить от заряженного тела к незаряженному.

Хорошие проводники электричества - это металлы, почва, вода с растворёнными в ней солями, кислотами или щелочами, графит. Тело человека также проводит электричество. Это можно обнаружить на опыте. Дотронемся до заряженного электроскопа рукой. Листочки тотчас опустятся. Заряд с электроскопа уходит по нашему телу через пол комнаты в землю.

а - железо; б - графит

Из металлов лучшие проводники электричества - серебро, медь, алюминий.

Непроводниками называют такие тела, через которые электрические заряды не могут переходить от заряженного тела к незаряженному.

Непроводниками электричества, или диэлектриками , являются эбонит, янтарь, фарфор, резина, различные пластмассы, шёлк, капрон, масла, воздух (газы). Изготовленные из диэлектриков тела называют изоляторами (от итал. изоляро - уединять).

а - янтарь; б - фарфор

Полупроводниками называют тела, которые по способности передавать электрические заряды занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

В природе полупроводники распространены достаточно широко. Это оксиды и сульфиды металлов, некоторые органические вещества и др. Наибольшее применение в технике нашли германий и кремний.

Полупроводники при низкой температуре не проводят электрический ток и являются диэлектриками. Однако при повышении температуры в полупроводнике начинает резко увеличиваться число носителей электрического заряда, и он становится проводником.

Почему это происходит? У полупроводников, таких как кремний и германий, в узлах кристаллической решётки атомы колеблются около своих положений равновесия, и уже при температуре 20 °С это движение становится настолько интенсивным, что химические связи между соседними атомами могут разорваться. При дальнейшем повышении температуры валентные электроны (электроны, находящиеся на внешней оболочке атома) атомов полупроводников становятся свободными, и под действием электрического поля в полупроводнике возникает электрический ток.

Характерной особенностью полупроводников является возрастание их проводимости с повышением температуры. У металлов же при повышении температуры проводимость уменьшается.

Способность полупроводников проводить электрический ток возникает также при воздействии на них света, потока быстрых частиц, введении примесей и др.

а - германий; б- кремний

Изменение электропроводности полупроводников под действием температуры позволило применять их в качестве термометров для замера температуры окружающей среды, широко применяют в технике. С его помощью контролируют и поддерживают температуру на определённом уровне.

Повышение электропроводности вещества под воздействием света носит название фотопроводимость . Основанные на этом явлении приборы называют фотосопротивлениями . Фотосопротивления применяются для сигнализации и в управлении производственными процессами на расстоянии, сортировке изделий. С их помощью в экстренных ситуациях автоматически останавливаются станки и конвейеры, предупреждая несчастные случаи.

Благодаря удивительным свойствам полупроводников, они широко используются при создании транзисторов, тиристоров, полупроводниковых диодов, фоторезисторов и другой сложнейшей аппаратуры. Применение интегральных микросхем в теле-, радио- и компьютерных приборах позволяет создавать устройства небольших, а порой и ничтожно малых размеров.

Вопросы

1. На какие группы делят вещества по способности передавать электрические заряды?
2. Какой характерной особенностью обладают полупроводники?
3. Перечислите области применения полупроводниковых приборов.

Упражнение 22

1. Почему заряженный электроскоп разряжается, если его шарика коснуться рукой?
2. Почему стержень электроскопа изготавливают из металла?
3. К шарику незаряженного электроскопа подносят тело, заряженное положительно, не касаясь его. Какой заряд возникнет на листочках электроскопа?

Это любопытно...

Способность тела к электризации определяется наличием свободных зарядов. В полупроводниках концентрация носителей свободного заряда увеличивается с ростом температуры.

Проводимость, которая осуществляется свободными электронами (рис. 43), называется электронной проводимостью полупроводника или проводимостью n-типа (от лат. negativus - отрицательный). При отрыве электронов от атомов германия в местах разрыва образуются свободные места, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название «дырки». В области образования дырки возникает избыточный положительный заряд. Вакантное место может быть занято другим электроном.

Электрон, перемещаясь в полупроводнике, создаёт возможность заполнения одних дырок и образования других. Возникновение новой дырки сопровождается появлением свободного электрона, т. е. идёт непрерывное образование пар электрон - дырка. В свою очередь, заполнение дырок приводит к уменьшению числа свободных электронов. Если кристалл поместить в электрическое поле, то будет происходить перемещение не только электронов, но и дырок. Направление перемещения дырок противоположно направлению движения электронов.

Проводимость, которая возникает в результате перемещения дырок в полупроводнике, называется дырочной проводимостью или проводимостью р-типа (от лат. positivus - положительный). Полупроводники подразделяют на чистые полупроводники, примесные полупроводники n-типа, примесные полупроводники р-типа.

Чистые полупроводники обладают собственной проводимостью. В создании тока участвуют свободные заряды двух типов: отрицательные (электроны) и положительные (дырки). В чистом полупроводнике концентрация свободных электронов и дырок одинакова.

При введении в полупроводник примесей возникает примесная проводимость. Изменяя концентрацию примеси, можно менять и число носителей заряда того или иного знака, т. е. создавать полупроводники с преимущественной концентрацией отрицательного или положительного заряда. Примесные полупроводники n-типа обладают электронной проводимостью. Основными носителями заряда являются электроны, а неосновными - дырки.

Примесные полупроводники р-типа обладают дырочной проводимостью. Основными носителями заряда являются дырки, а неосновными - электроны.

Представляет собой соединение полупроводников р- и л-типа. Сопротивление области контакта зависит от направления тока. Если диод включить в цепь, чтобы область кристалла с электронной проводимостью n-типа была подсоединена к положительному полюсу, а область с дырочной проводимостью р-типа к отрицательному полюсу, то тока в цепи не будет, так как переход электронов из n-области в р-область затрудняется.

Если р-область полупроводника подключить к положительному полюсу, а n-область к отрицательному, то в этом случае ток проходит через диод. За счёт диффузии основных носителей тока в чужой полупроводник в области контакта образуется двойной электрический слой, препятствующий движению зарядов. Внешнее поле, направленное от р к n, частично компенсирует действие этого слоя, и при увеличении напряжения ток быстро возрастает.