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.

Читайте также:  Назначение и боевые свойства автомата Калашникова план-конспект занятия по обж (10 класс)

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.

Как из атомов получаются молекулы

Любой атом находится в стабильном состоянии, если на его внешней орбите находится 8 электронов. Он не стремится забрать электроны у соседних атомов, но не отдает и свои. Чтобы убедиться в справедливости этого достаточно в таблице Менделеева посмотреть на инертные газы: неон, аргон, криптон, ксенон. Каждый из них на внешней орбите имеет 8 электронов, чем и объясняется нежелание этих газов вступать в какие – либо отношения (химические реакции) с другими атомами, строить молекулы химических веществ.

Совсем по-другому обстоит дело у тех атомов, у которых на внешней орбите нет заветных 8 электронов. Такие атомы предпочитают объединиться с другими, чтобы за счет них дополнить свою внешнюю орбиту до 8 электронов и обрести спокойное стабильное состояние.

Советуем изучить Полезная мощность

Вот, например, всем известная молекула воды H2O. Она состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, как показано на рис. 1.

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.

Читайте также:  Магнитный пускатель пме 211 схема подключения

Использование в радиотехнике

Полупроводниковый диод

Схема полупроводникового кремниевого диода. Ниже приведено его символическое изображение на электрических принципиальных схемах.
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:

φ = V T ln ⁡ ( N n N p n i 2 ) {displaystyle varphi =V_{rm {T}}ln left({frac {N_{rm {n}}N_{rm {p}}}{n_{rm {i}}^{2}}}right)}

где V T {displaystyle V_{rm {T}}} — термодинамическое напряжение, N n {displaystyle N_{rm {n}}} — концентрация электронов, N p {displaystyle N_{rm {p}}} — концентрация дырок, n i {displaystyle n_{rm {i}}} — собственная концентрация[2].

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, диод пропускает максимальный электрический ток).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, диод сопротивляется пропусканию электрического тока). Обратный ток полупроводникового диода близок к нулю, но 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

Структура биполярного n-p-n транзистора.
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.

Сфера применения полупроводника

Полупроводниковыми приборами называются устройства, действие которых основано на использовании свойств полупроводниковых материалов.

Различие между видами

На основе беспереходных полупроводников изготавливаются такие резисторы:

• Линейный резистор – удельное сопротивление практически не зависит от напряжения и тока. Является «элементом» интегральных микросхемах;
• Варистор – сопротивление зависит от приложенного напряжения;
• Терморезистор – сопротивление зависит от температуры. Различают два типа: термистор (с увеличением температуры сопротивление падает) и позисторы (с увеличением температуры сопротивление возрастает);
• Фоторезистор – сопротивление зависит от освещенности (излучения);
• Тензорезистор – сопротивление зависит от механических деформаций.

Принцип работы большинства таких приборов основывается на свойствах электронно-дырочного перехода p-n – перехода.

В заключении необходимо отметить, что проводники и полупроводники каждый день встречаются в жизни человека. Их достаточно часто применяют в радиотехнике и физике. Например, их можно встретить в классических транзисторах или варисторах для сопротивления. Ни один электроприбор не сможет функционировать без этих деталей.

Диоды с барьером Шотки

Для выпрямления малых напряжений высокой частоты широко используются диоды с барьером Шотки. В этих диодах вместо p-n-перехода используется контакт металлической поверхности с полупроводником. В месте контакта возникают обеднённые носителями заряда слои полупроводника, которые называются запорными. Диоды с барьером Шотки отличаются от диодов с p-n-переходом по следующим параметрам:

• более низкое прямое падение напряжения;
• имеют более низкое обратное напряжение;
• более высокий ток утечки;
• почти полностью отсутствует заряд обратного восстановления.

Две основные характеристики делают эти диоды незаменимыми: малое прямое падение напряжения и малое время восстановления обратного напряжения. Кроме того, отсутствие неосновных носителей, требующих время на обратное восстановление, означает физическое отсутствие потерь на переключение самого диода.

Максимальное напряжение современных диодов Шотки составляет около 1200 В. При этом напряжении прямое напряжение диода Шотки меньше прямого напряжения диодов с p-n-переходом на 0,2…0,3 В.

Преимущества диода Шотки становятся особенно заметны при выпрямлении малых напряжений. Например, 45-вольтный диод Шотки имеет прямое напряжение 0,4…0,6 В, а при том же токе диод с p-n-переходом имеет падение напряжения 0,5…1,0 В. При понижении обратного напряжения до 15 В прямое напряжение уменьшается до 0,3…0,4 В. В среднем применение диодов Шотки в выпрямителе позволяет уменьшить потери примерно на 10…15 %. Максимальная рабочая частота диодов Шотки превышает 200 кГц.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

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.

Читайте также:  Изменение вторичного напряжения и внешняя характеристика трансформатора. Потери и КПД.

p — n Переход .

p-n-Переход — это простейшая полупроводниковая структура, которая используется в большинстве полупроводниковых приборов. Для получе­ния p-n-перехода полупроводниковый образец легируют (вводят в него примеси) таким образом, чтобы в одной его части преобладали донорные примеси, а в другой — акцепторные, в результате получают контакт полу­проводника n-типа с полупроводником p-типа.

Советуем изучить Плавкие предохранители

Основным свойс­твом p-n-перехода является его способность пропускать ток только в одном направлении, если напряжение приложено к образцу так, что про­водимость осуществляется основными носителями тока, как это показано на рисунке выше: «-» со стороны полупроводника n-типа, «+» — со стороны p-типа (электроны из n-области переходят в p-область, и наоборот).

Если теперь поменять полярность приложенного напряжения U, то ток через p-n-переход практически не идет, т. к. переход через контакт осуществляется неосновными носителями, которых мало. Вольт-амперная характеристика р-n-перехода изображена на рисунке ниже.

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).

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.

Назначение

Ниже приводятся основные области применения диодов, на примере которых становится понятно их основное назначение:

1. Диодные мосты представляют собой 4, 6 или 12 диодов, соединенных между собой, их количество зависит от типа схемы, которая может быть однофазной, трехфазной полумостовой или трехфазной полномостовой. Они выполняют функции выпрямителей, такой вариант чаще всего используется в автомобильных генераторах, поскольку внедрение подобных мостов, а также использование вместе с ними щеточно-коллекторных узлов, позволило в значительной степени сократить размеры данного устройства и увеличить степень его надежности. Если соединение выполнено последовательно и в одну сторону, то это повышает минимальные показатели напряжения, которое потребуется для отпирания всего диодного моста.
2. Диодные детекторы получаются при комбинированном использовании данных приборов с конденсаторами. Это необходимо для того, чтобы было можно выделить модуляцию с низкими частотами из различных модулированных сигналов, в том числе амплитудно-модулированной разновидности радиосигнала. Такие детекторы являются частью конструкции многих бытовых потребителей, например, телевизоров или радиоприемников.
3. Обеспечение защиты потребителей от неверной полярности при включении схемных входов от возникающих перегрузок или ключей от пробоя электродвижущей силой, возникающей при самоиндукции, которая происходит при отключении индуктивной нагрузки. Для обеспечения безопасности схем от возникающих перегрузок, применяется цепочка, состоящая из нескольких диодов, имеющих подключение к питающим шинам в обратном направлении. При этом, вход, которому обеспечивается защита, должен подключаться к середине этой цепочки. Во время обычного функционирования схемы, все диоды находятся в закрытом состоянии, но если ими было зафиксировано, что потенциал входа ушел за допустимые пределы напряжения, происходит активация одного из защитных элементов. Благодаря этому, данный допустимый потенциал получает ограничение в рамках допустимого питающего напряжения в сумме с прямым падением показателей напряжение на защитном приборе.
4. Переключатели, созданные на основе диодов, используются для осуществления коммутации сигналов с высокими частотами. Управление такой системой осуществляется при помощи постоянного электрического тока, разделения высоких частот и подачи управляющего сигнала, которое происходит благодаря индуктивности и конденсаторам.
5. Создание диодной искрозащиты. Используются шунт-диодные барьеры, которые обеспечивают безопасность путем ограничения напряжения в соответствующей электрической цепи. В совокупности с ними применяются токоограничительные резисторы, которые необходимы для ограничения показателей электрического тока, проходящего через сеть, и увеличения степени защиты.

Использование диодов в электронике на сегодняшний день весьма широко, поскольку фактически ни одна современная разновидность электронного оборудования не обходится без этих элементов.

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.

Основные особенности полупроводников

Показатель проводимости составляет около 1000 Ом*м (при температуре 180 градусов). Если сравнивать с металлами, то у полупроводников происходит уменьшение удельной проводимости при возрастании температуры. Такое же свойство имеется у диэлектриков. У полупроводниковых материалов имеется достаточно сильная зависимость показателя удельной проводимости от количества и типа примесей.

Допустим, если ввести в чистый германий всего тысячную долю мышьяка, произойдет увеличение проводимости примерно в 10 раз. Все без исключения полупроводники чувствительны к воздействиям извне – ядерному облучению, свету, электромагнитным полям, давлению и т. д. Можно привести примеры полупроводниковых материалов – это сурьма, кремний, германий, теллур, фосфор, углерод, мышьяк, йод, бор, а также различные соединения этих веществ.

Свойства кремния, германия и селена.

Как уже было сказано, в полупроводниковой технике используют большое количество химических элементов и веществ. Коротко рассмотрим
физико-химические свойства кремния, германия и селена.

Кремний (силиций).

Это один из самых распространенных химических элементов — содержание его в земной коре составляет около 25%.
Он был открыт в 1824 году Берцелиусом и принадлежит к группе IV элементов периодической таблицы, т.е. он IV валентности. Его серийный
номер 14 и атомная масса равна 28,06.
Силиций может находиться в двух состояниях — аморфном и кристаллическом, но в полупроводниковой технике используется только кристалл.
В природе кремний встречается в основном в виде оксидов, образующие кварц, песок, глину, гранит и др.
Кристаллический силиций — это твердое и хрупкое вещество темно-серого цвета с металлическим блеском, плавящийся при температуре 1687º К
(или 1414º C). На воздухе чистый силиций покрывается оксидным слоем.
Удельное сопротивление чистого силиция при комнатной температуре равно: ρ = 105Ω mm2/m, но получить его идеально
чистым трудно, из-за его большой активности в расплавленном состоянии.
У силиция в полупроводниках элементах, процент посторонних примесей не должен быть более 10-11%.

Германий.

В 1871 году Менделеев предсказал существование и дал подробное описание еще не открытого химического элемента, названный

экасилицием.

Через пятнадцать лет Винклеру удалось получить это химическое вещество и он назвал его германием.
Германий — это редкий химический элемент — его содержание в земной коре всего 7·10 -4%.
Германиевая руда содержит гораздо больше железа, меди и цинка, чем германия, а он получается как побочный продукт при извлечении
цинка.
Этот полупроводник похож на металл, но его удельное сопротивление ρ = 65 Ω (mm2/m), т.е. тысячи раз больше, чем у металлов с
наименьшей проводимостью. К примеру, удельное сопротивление меди составляет ρ = 1,7·10-6 Ω (mm2/m). Нетрудно
подсчитать, что проводимость германия примерно в 38 миллионов раз меньше, чем у меди.

Германий твердый, хрупкий и трудно подается обработке. Плавится при температуре 1231º К (или 958º С) и с рядом металлов легко образует
сплавы. На воздухе он покрывается тонким слоем оксида.
В его производстве, в основном, появляются две трудности.

Первая связана с тем, что руда содержит ничтожно малый процент германия и он после сложной химическая обработки обычно получается
с зернистой (поликристаллической) структурой с значительными примесями.
Вторая трудность сопряжена с очисткой германия, где чаще всего применяется метод зонной плавки. При этом процент примесей получается
порядка 5·10-9%.

Селен.

Полупроводниковые свойства селена стали использовать более ста лет назад в виде набора (столбиков) селеновых дисков в выпрямительных
устройствах.
Его распространенность в земной коре еще меньше, чем германия (7·10-6%), однако технология его производство проста и процент
примесей может быть в миллион раз больше, чем в германии.
Селеновые диски в выпрямительных устройствах не монокристаллические, а состоят из отдельных мелких зерен.

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.

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

Органические полупроводники

Примеры полупроводников на основе органических соединений – нафталин, полиацетилен (CH2)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.

1.2 Носители заряда в полупроводнике.

В рассмотренной идеальной решетке все электроны связаны со своими атомами,
поэтому такая структура не должна проводить электрический ток. Однако
в полупроводниках (что коренным образом отличает их от диэлектриков)
сравнительно небольшие энергетические воздействия, обусловленные нагревом
или облучением, могут привести к разрыву некоторых валентных связей
в решетке. При этом валентный электрон, оторвавшийся от своего атома,
переходит в новое устойчивое состояние, в котором он обладает способностью
перемещаться по кристаллической решетке. Такие сорванные с валентных
связей подвижные электроны называются электронами проводимости. Они
обусловливают электропроводность полупроводника, называемую электронной
электропроводностью (рис.1.1).

Минимальная величина энергии DW, которую необходимо сообщить валентному
электрону для того, чтобы оторвать его от атома и сделать подвижным,
зависит от структуры решетки и, следовательно, является параметром полупроводника.

Энергия электронов, перемещающихся по кристаллу, лежит в некотором
диапазоне значений, иначе говоря, электроны занимают целую зону энергетических
уровней, называемую зоной проводимости. Энергетические состояния валентных
электронов также образуют зону, называемую валентной. Между максимальным
уровнем валентной зоны и минимальным уровнем зоны проводимости лежит
область энергетическим состояний, в которых электроны не могут находиться;
это так называемая запрещенная зона. Ширина запрещенной зоны
W определяет энергию, необходимую для освобождения валентного электрона,
т.е. энергию ионизации атома полупроводника. Таким образом, с энергетической
точки зрения отрыв валентного электрона от атома и превращения его в
электрон проводимости соответствуют перебросу электронов из валентной
зоны в зону проводимости.

При разрыве валентной связи и уходе электрона из атома в решетку образуется
незаполненная связь, которой присущ нескомпенсированный положительный
заряд, равный по величине заряду электрона +e. Так как на незаполненную
связь легко переходит валентные электроны с соседних связей, чему способствует
тепловое движение в кристалле, то место, где отсутствует валентный электрон,
(называемое, дыркой), хаотически перемещается по решетке. При наличии
внешнего поля дырка также будет двигаться в направлении действия поля,
что соответствует переносу положительного заряда, то есть электрическому
току.

Этот вид электропроводности полупроводника называют дырочной электропроводностью
в отличии от ранее рассмотренной электронной, обусловленной свободными
электронами.

Полупроводник, имеющий в узлах решетки только собственные атомы, принято
называть собственным проводником; все величины, относящиеся к нему,
обозначаются индексом i (от английского слова intrinsic- присущий).

В электронике часто применяются полупроводники, у которых часть атомов
основного вещества в узлах кристаллической решетки замещена атомами
примеси, то есть атомами другого вещества. Такие полупроводники называются
примесными. Для германия и кремния чаще всего используют пятивалентные
и трехвалентные примеси. К пятивалентным примесям относятся фосфор,
сурьма, мышьяк и др.; к трехвалентным — бор, алюминий, индий, галлий.

При наличии пятивалентной примеси четыре валентных электрона примесного
атома совместно с четырьмя электронами соседних атомов образуют ковалентные
связи, а пятый валентный электрон оказывается «лишним». Энергия
связи его со своим атомом 
Wп намного меньше, чем энергия
W, необходимая для освобождения валентного электрона.

Благодаря небольшой энергии ионизации
Wn, пятый электрон даже при комнатной температуре может быть
оторван от своего атома за счет энергии теплового движения. При этом
образуется свободный электрон, способный перемещаться по кристаллической
решетке, и неподвижный положительный заряд -атом примеси, потерявший
этот электрон. Примеси такого вида, отдающие электроны, называются донорными,
а кристаллы с подобной примесью — полупроводниками п-типа..

При введении трехвалентной примеси примесный атом отдает три своих
валентных электрона для образования ковалентных связей с тремя близлежащими
атомами. Связь с четвертым атомом оказывается незаполненной, однако
на нее сравнительно легко могут переходить валентные электроны с соседних
связей.

При перебросе валентного электрона на незаполненную связь примесный
атом с присоединенным лишним электронов образует в решетке неподвижный
отрицательный заряд; кроме того, в решетке образуется дырка, способная
перемещаться по решетке и обусловливающая дырочную проводимость полупроводника.
Примеси такого вида, захватывающие электроны, называются акцепторными,
а кристалл с акцепторной примесью — полупроводник р-типа.

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.

приложений

Полупроводники широко используются в качестве сырья при сборке электронных элементов, которые являются частью нашей повседневной жизни, таких как интегральные схемы.

Одним из основных элементов интегральной схемы являются транзисторы. Эти устройства выполняют функцию обеспечения выходного сигнала (колебательный, усиленный или выпрямленный) в соответствии с конкретным входным сигналом..

Кроме того, полупроводники также являются основным материалом диодов, используемых в электронных схемах для обеспечения прохождения электрического тока только в одном направлении..

Для конструкции диодов образуются внешние полупроводниковые соединения типа P и типа N. Посредством чередующихся элементов носителя и доноров электронов активируется механизм баланса между обеими зонами..

Таким образом, электроны и дыры в обеих зонах пересекаются и дополняют друг друга при необходимости. Это происходит двумя способами:

— Происходит перенос электронов из зоны N-типа в зону P. В зоне N-типа преобладает зона положительного нагружения..

— Представлен проход электрононосных дырок из зоны P-типа в зону N-типа. Зона P-типа приобретает преимущественно отрицательный заряд.

Наконец, создается электрическое поле, которое вызывает циркуляцию тока только в одном направлении; то есть из зоны N в зону P.

Кроме того, используя комбинации внутренних и внешних полупроводников, можно получить устройства, которые выполняют функции, аналогичные вакуумной трубке, объем которой в сотни раз превышает ее объем..

Этот тип приложений применяется к интегральным схемам, таким как микропроцессорные микросхемы, которые покрывают значительное количество электрической энергии.

Полупроводники присутствуют в электронных устройствах, которые мы используем в нашей повседневной жизни, таких как оборудование коричневой линии, такое как телевизоры, видеоплееры, звуковое оборудование; компьютеры и сотовые телефоны.

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.

↑ Электронный и дырочный токи в полупроводниках

При заданной температуре в полупроводнике всегда имеются разорванные ковалентные связи, т. е. некоторое количество свободных электронов и соответствующее им число дырок. Если к такому полупроводнику подключить источник напряжения, свободные электроны под действием образовавшегося электрического поля будут двигаться в сторону положительного полюса, создавая электрический ток. Кроме того, электроны могут покидать одни ковалентные связи и восстанавливать другие — разрушенные. При этом в одном месте дырка исчезает, а в другом, откуда ушел электрон, появляется. Следовательно, в полупроводнике могут перемещаться не только электроны, но и дырки, и электрический ток включает две составляющие: электронную, образуемую путем перемещения свободных электронов, и дырочную, создаваемую при перемещении дырок. Дырке условно соответствует положительный единичный заряд, равный заряду электрона.
Полупроводники, которые состоят только из атомов германия или кремния, называют чистыми, или собственными, а электропроводность (способность проводить электрический ток), обусловленную наличием свободных электронов и дырок,— собственной электропроводностью.