Полупроводникови материали: Примери за полупроводници. Полупроводници - материали за подготовка за изпит по физика

Най-известният полупроводник е силиций (Si). Но освен него има много други. Пример за това са такива естествени полупроводникови материали като цинкова бленда (ZnS), куприт (Cu 2 O), галенит (PbS) и много други. Семейството полупроводници, включително лабораторно синтезирани полупроводници, е един от най-разнообразните класове материали, познати на човека.

Характеризиране на полупроводници

От 104 елемента на периодичната таблица 79 са метали, 25 са неметали, от които 13 имат полупроводникови свойства и 12 са диелектрици. Основната разлика между полупроводниците е, че тяхната електропроводимост се увеличава значително с повишаване на температурата. При ниски температурите се държат като диелектрици, а при високи температури се държат като проводници. Тези полупроводници се различават от металите: съпротивлението на метала се увеличава пропорционално на повишаването на температурата.

Друга разлика между полупроводника и метала е, че съпротивлението на полупроводника пада под въздействието на светлина, докато последната не влияе на метала. Проводимостта на полупроводниците също се променя, когато се въведе малко количество примес.

Полупроводниците се намират сред химични съединения с различни кристални структури. Това могат да бъдат елементи като силиций и селен или бинарни съединения като галиев арсенид. Много полиацетилен (CH) n, - полупроводникови материали. Някои полупроводници проявяват магнитни (Cd 1-x Mn x Te) или фероелектрични свойства (SbSI). Други, с достатъчно допинг, стават свръхпроводници (GeTe и SrTiO 3). Много от наскоро откритите високотемпературни свръхпроводници имат неметални полупроводникови фази. Например, La 2 CuO 4 е полупроводник, но когато се легира със Sr, той става свръхпроводник (La 1-x Sr x) 2 CuO 4 .

Учебниците по физика определят полупроводника като материал с електрическо съпротивление от 10 -4 до 10 7 ohm m. Възможна е и алтернативна дефиниция. Забранената зона на полупроводника е от 0 до 3 eV. Металите и полуметалите са материали с нулева енергийна междина, а веществата, при които тя надвишава 3 eV, се наричат ​​изолатори. Има и изключения. Например, полупроводниковият диамант има ширина на забранената зона от 6 eV, полуизолиращият GaAs - 1,5 eV. GaN, материалът за синята област, има забранена лента от 3,5 eV.

Енергийна празнина

Валентните орбитали на атомите в кристалната решетка се разделят на две групи енергийни нива - свободна зона, разположена на най-високо ниво и определяща електропроводимостта на полупроводниците, и валентна зона, разположена по-долу. Тези нива, в зависимост от симетрията на кристалната решетка и състава на атомите, могат да се пресичат или да се намират на разстояние едно от друго. В последния случай между лентите се появява енергийна празнина или, с други думи, забранена зона.

Подреждането и запълването на нивата определя проводимите свойства на веществото. На тази основа веществата се делят на проводници, изолатори и полупроводници. Ширината на забранената зона на полупроводника варира в рамките на 0,01-3 eV, диелектричната енергийна празнина надвишава 3 eV. Металите нямат енергийни пропуски поради припокриващи се нива.

Полупроводниците и диелектриците, за разлика от металите, имат валентна лента, пълна с електрони, а най-близката свободна зона или зона на проводимост е оградена от валентната лента от енергийна празнина - участък от забранени електронни енергии.

В диелектриците топлинната енергия или незначителното електрическо поле не е достатъчно, за да направи скок през тази празнина, електроните не навлизат в зоната на проводимост. Те не могат да се движат по кристалната решетка и да станат носители електрически ток.

За да се възбуди електрическата проводимост, на електрон на валентно ниво трябва да се даде енергия, която би била достатъчна, за да преодолее енергийната празнина. Само когато абсорбира количество енергия, което не е по-малко от стойността на енергийната празнина, електронът ще се премести от нивото на валентност към нивото на проводимост.

В случай, че ширината на енергетичната празнина надвишава 4 eV, възбуждането на проводимостта на полупроводника чрез облъчване или нагряване е практически невъзможно - енергията на възбуждане на електроните при температурата на топене е недостатъчна, за да прескочи зоната на енергийната празнина. При нагряване кристалът ще се стопи, докато се появи електронна проводимост. Такива вещества включват кварц (dE = 5,2 eV), диамант (dE = 5,1 eV) и много соли.

Примеси и собствена проводимост на полупроводниците

Чистите полупроводникови кристали имат своя собствена проводимост. Такива полупроводници се наричат ​​собствени. Вътрешният полупроводник съдържа равен брой дупки и свободни електрони. При нагряване собствената проводимост на полупроводниците се увеличава. При постоянна температура възниква състояние на динамично равновесие между броя на образуваните двойки електрон-дупка и броя на рекомбиниращите електрони и дупки, които остават постоянни при дадени условия.

Наличието на примеси оказва значително влияние върху електрическата проводимост на полупроводниците. Добавянето им прави възможно значително увеличаване на броя на свободните електрони с малък брой дупки и увеличаване на броя на дупките с малък брой електрони на ниво проводимост. Примесните полупроводници са проводници с примесна проводимост.

Примесите, които лесно отдават електрони, се наричат ​​донорни примеси. Донорните примеси могат да бъдат химически елементис атоми, чиито валентни нива съдържат голямо количествоелектрони от атомите на основното вещество. Например, фосфорът и бисмутът са донорни примеси на силиций.

Енергията, необходима на един електрон да скочи в областта на проводимостта, се нарича енергия на активиране. Примесните полупроводници се нуждаят от много по-малко от него, отколкото основния материал. При леко нагряване или осветяване се освобождават предимно електроните на атомите на примесните полупроводници. Мястото на излизане на електрона от атома е заето от дупка. Но рекомбинацията на електрони в дупки практически не се случва. Проводимостта на дупката на донора е незначителна. Това е така, защото малкият брой примесни атоми не позволява на свободните електрони често да се приближават до дупката и да я заемат. Електроните са разположени близо до дупки, но не са в състояние да ги запълнят поради недостатъчно ниво на енергия.

Незначителното добавяне на донорен примес увеличава броя на електроните на проводимостта с няколко порядъка в сравнение с броя на свободните електрони във вътрешния полупроводник. Електроните тук са основните носители на заряд на атомите на примесните полупроводници. Тези вещества се класифицират като n-тип полупроводници.

Примесите, които свързват електроните на полупроводника, увеличавайки броя на дупките в него, се наричат ​​акцептор. Акцепторните примеси са химични елементи с по-малко електрони на валентно ниво от базовия полупроводник. Бор, галий, индий - акцепторни примеси за силиций.

Характеристиките на полупроводника зависят от дефектите в неговата кристална структура. Това е причината за необходимостта от отглеждане на изключително чисти кристали. Параметрите на проводимостта на полупроводника се контролират чрез добавяне на добавки. Силициевите кристали са легирани с фосфор (елемент от подгрупа V), който е донор, за да се създаде n-тип силициев кристал. За да се получи кристал с дупкова проводимост, в силиций се въвежда акцептор на бор. По подобен начин се създават полупроводници с компенсирано ниво на Ферми, което го премества в средата на забранената зона.

Едноелементни полупроводници

Най-често срещаният полупроводник е, разбира се, силиций. Заедно с германия той стана прототип за широк клас полупроводници с подобни кристални структури.

Структурата на кристалите Si и Ge е същата като тази на диаманта и α-калая. В него всеки атом е заобиколен от 4 най-близки атома, които образуват тетраедър. Тази координация се нарича четворна. Кристалите с тетраедрични връзки са се превърнали в основата на електронната индустрия и играят ключова роля в модерна технология. Някои елементи от групи V и VI на периодичната таблица също са полупроводници. Примери за полупроводници от този тип са фосфор (P), сяра (S), селен (Se) и телур (Te). В тези полупроводници атомите могат да имат трикратна (P), двукратна (S, Se, Te) или четирикратна координация. В резултат на това такива елементи могат да съществуват в няколко различни кристални структури, а също и да бъдат получени под формата на стъкло. Например, Se е отглеждан в моноклинни и тригонални кристални структури или като стъкло (което също може да се счита за полимер).

Диамантът има отлична топлопроводимост, отлични механични и оптични характеристики и висока механична якост. Ширината на енергийната празнина е dE = 5,47 eV.

Силицият е полупроводник, използван в слънчеви клетки и в аморфна форма в тънкослойни слънчеви клетки. Това е най-използваният полупроводник в слънчевите клетки, лесен за производство и има добри електрически и механични свойства. dE = 1,12 eV.

Германият е полупроводник, използван в гама-спектроскопията, високопроизводителни фотоволтаични клетки. Използва се в първите диоди и транзистори. Изисква по-малко почистване от силикона. dE = 0,67 eV.

Селенът е полупроводник, който се използва в селенови токоизправители, които имат висока радиационна устойчивост и способност за самовъзстановяване.

Връзки от две части

Свойствата на полупроводниците, образувани от елементи от 3-та и 4-та група на периодичната таблица, приличат на 4 групи. Преходът от 4 групи елементи към съединения 3-4 гр. прави връзките частично йонни поради прехвърлянето на електронен заряд от атома от група 3 към атома от група 4. Йонността променя свойствата на полупроводниците. Това е причината за увеличаването на кулоновото междуионно взаимодействие и енергията на енергийната празнина на зонната структура на електроните. Пример за бинарно съединение от този тип е индиев антимонид InSb, галиев арсенид GaAs, галиев антимонид GaSb, индиев фосфид InP, алуминиев антимонид AlSb, галиев фосфид GaP.

Йонността се увеличава и нейната стойност нараства още повече в съединения на вещества от групи 2-6, като кадмиев селенид, цинков сулфид, кадмиев сулфид, кадмиев телурид, цинков селенид. В резултат на това за повечето съединения от групи 2–6 ширината на забранената зона е по-широка от 1 eV, с изключение на живачните съединения. Живачният телурид е полупроводник без енергийна празнина, полуметал, като α-калай.

Полупроводници от групи 2-6 с голяма енергийна празнина се използват в производството на лазери и дисплеи. За инфрачервени приемници са подходящи двоични връзки от 2-6 групи със стеснен енергиен интервал. Бинарните съединения на елементи от групи 1-7 (меден бромид CuBr, сребърен йодид AgI, меден хлорид CuCl) поради високата си йонност имат ширина на забранената зона над 3 eV. Те всъщност не са полупроводници, а изолатори. Увеличаването на енергията на закотвяне на кристала, дължащо се на кулоновото междуйонно взаимодействие, допринася за структурирането на атоми с шесткратна, а не с квадратична координация. Съединенията от групи 4-6 - оловен сулфид и телурид, калаен сулфид - също са полупроводници. Степента на йонност на тези вещества също допринася за образуването на шесткратна координация. Значителната йонност не им пречи да имат много тесни пропускащи ленти, което им позволява да се използват за получаване на инфрачервено лъчение. Галиевият нитрид - съединение от 3-5 групи с широка енергийна междина, намери приложение в светодиодите, работещи в синята част на спектъра.

GaAs, галиевият арсенид, е вторият най-търсен полупроводник след силиция, използван обикновено като субстрат за други проводници, като GaInNAs и InGaAs, в IR диоди, високочестотни микросхеми и транзистори, високоефективни фотоволтаични клетки, лазерни диоди, ядрени детектори за лечение. dE = 1,43 eV, което прави възможно увеличаването на мощността на устройствата в сравнение със силиция. Чуплив, съдържа повече примеси, труден за производство.

ZnS, цинков сулфид - цинкова сол на хидросулфидна киселина със забранена лента от 3,54 и 3,91 eV, използва се в лазери и като луминофор.

SnS, калаен сулфид - полупроводник, използван във фоторезистори и фотодиоди, dE= 1,3 и 10 eV.

оксиди

Металните оксиди са предимно отлични изолатори, но има и изключения. Примери за полупроводници от този тип са никелов оксид, меден оксид, кобалтов оксид, меден диоксид, железен оксид, европиев оксид, цинков оксид. Тъй като медният диоксид съществува като минерал куприт, неговите свойства са широко изследвани. Процедурата за отглеждане на полупроводници от този тип все още не е напълно разбрана, така че тяхното приложение все още е ограничено. Изключение прави цинковият оксид (ZnO), съединение от групи 2-6, използвано като конвертор и в производството на лепенки и пластири.

Ситуацията се промени радикално, след като беше открита свръхпроводимост в много съединения на медта с кислорода. Първият високотемпературен свръхпроводник, открит от Мюлер и Беднорц, е съединение на базата на полупроводника La 2 CuO 4 с енергийна празнина от 2 eV. Чрез замяната на тривалентния лантан с двувалентен барий или стронций в полупроводника се въвеждат дупкови носители на заряд. Достигането на необходимата концентрация на дупки превръща La 2 CuO 4 в свръхпроводник. Понастоящем най-високата температура на преход към свръхпроводящо състояние принадлежи на съединението HgBaCa 2 Cu 3 O 8. При високо наляганестойността му е 134 K.

ZnO, цинков оксид, се използва във варистори, сини светодиоди, газови сензори, биологични сензори, покрития на прозорци за отразяване на инфрачервена светлина, като проводник в LCD дисплеи и слънчеви панели. dE=3,37 eV.

слоести кристали

Бинарни съединения като оловен дийодид, галиев селенид и молибденов дисулфид са наслоени. В слоевете действат значителни сили, много по-силни от ван дер ваалсовите връзки между самите слоеве. Полупроводниците от този тип са интересни с това, че електроните се държат квази-двуизмерно в слоеве. Взаимодействието на слоевете се променя чрез въвеждане на чужди атоми - интеркалация.

MoS 2, молибденовият дисулфид се използва във високочестотни детектори, токоизправители, мемристори, транзистори. dE=1,23 и 1,8 eV.

Органични полупроводници

Примери за базирани на полупроводници органични съединения- нафталин, полиацетилен (CH 2) n, антрацен, полидиацетилен, фталоцианиди, поливинилкарбазол. Органичните полупроводници имат предимство пред неорганичните: те са лесни за придаване необходими качества. Веществата със спрегнати връзки под формата -С=С-С= имат значителна оптична нелинейност и поради това се използват в оптоелектрониката. В допълнение, зоните на прекъсване на енергията на органичните полупроводници се променят чрез промяна на формулата на съединението, което е много по-лесно от това на конвенционалните полупроводници. Кристалните алотропи на въглерода - фулерен, графен, нанотръби - също са полупроводници.

Фулеренът има структура под формата на изпъкнал затворен полиедър от четен брой въглеродни атоми. И допирането на фулерен C 60 с алкален метал го превръща в свръхпроводник.

Графенът се образува от моноатомен слой въглерод, свързан в двуизмерна шестоъгълна решетка. Има рекордна топлопроводимост и подвижност на електрони, висока твърдост

Нанотръбите са графитни листове, навити в тръба с диаметър няколко нанометра. Тези форми на въглерод имат голямо обещание в наноелектрониката. В зависимост от свързването, те могат да проявяват метални или полупроводникови качества.

Магнитни полупроводници

Съединенията с магнитни европиеви и манганови йони имат любопитни магнитни и полупроводникови свойства. Примери за полупроводници от този тип са европиев сулфид, европиев селенид и твърди разтвори като Cd 1-x-Mn x Te. Съдържанието на магнитни йони влияе върху това как магнитните свойства като антиферомагнетизъм и феромагнетизъм се проявяват във веществата. Полумагнитните полупроводници са твърди магнитни разтвори на полупроводници, които съдържат магнитни йони в малка концентрация. Такива твърди решения привличат вниманието към себе си поради своите перспективи и голям потенциал възможни приложения. Например, за разлика от немагнитните полупроводници, те могат да постигнат милион пъти по-голямо въртене на Фарадей.

Силните магнитооптични ефекти на магнитните полупроводници правят възможно използването им за оптична модулация. Перовскитите, подобно на Mn 0,7 Ca 0,3 O 3, превъзхождат по своите свойства прехода метал-полупроводник, чиято пряка зависимост от магнитното поле води до феномена на гигантско магнитно съпротивление. Използват се в радиотехниката, оптични устройства, които се управляват магнитно поле, във вълноводи на микровълнови устройства.

Полупроводникови сегнетоелектрици

Този тип кристали се отличават с наличието на електрически моменти в тях и възникването на спонтанна поляризация. Например, полупроводниците оловен титанат PbTiO 3 , бариев титанат BaTiO 3 , германиев телурид GeTe, калаен телурид SnTe имат такива свойства, които имат фероелектрични свойства при ниски температури. Тези материали се използват в нелинейни оптични устройства, устройства за съхранение и пиезоелектрични сензори.

Разнообразие от полупроводникови материали

В допълнение към полупроводниковите вещества, споменати по-горе, има много други, които не попадат в нито един от изброените типове. Съединения на елементи по формула 1-3-5 2 (AgGaS 2) и 2-4-5 2 (ZnSiP 2) образуват кристали в структурата на халкопирит. Връзките на съединенията са тетраедрични, подобни на полупроводници от 3-5 и 2-6 групи с кристална структура на цинкова смес. Съединенията, които образуват елементите на полупроводниците от групи 5 и 6 (като As 2 Se 3), са полупроводници под формата на кристал или стъкло. Халкогенидите на бисмут и антимон се използват в полупроводникови термоелектрически генератори. Свойствата на полупроводниците от този тип са изключително интересни, но те не са придобили популярност поради ограниченото приложение. Въпреки това фактът, че те съществуват, потвърждава наличието на области от физиката на полупроводниците, които все още не са напълно проучени.

В тази статия, добре, няма нищо изключително важно и интересно, само отговор на прост въпрос за манекени, какви са основните свойства, които отличават полупроводниците от металите и диелектриците?

Полупроводници - материали (кристали, поликристални и аморфни материали, елементи или съединения) със съществуване на забранена зона (между зоната на проводимост и валентната зона).

Електронните полупроводници се наричат ​​кристали и аморфни вещества, които по отношение на електропроводимостта заемат междинно положение между металите (σ = 10 4 ÷10 6 Ohm -1 cm -1) и диелектриците (σ = 10 -10 ÷10 -20 Ohm - 1 см -един). Дадените гранични стойности на проводимостта обаче са доста условни.

Теорията на зоните ни позволява да формулираме критерий, който позволява да се разделят твърдите тела на два класа - метали и полупроводници (изолатори). Металите се характеризират с наличието на свободни нива във валентната лента, към които могат да преминат електрони, получавайки допълнителна енергия, например поради ускорение в електрическо поле. Отличителна чертаметалите се крие във факта, че те имат електрони на проводимост в основно, невъзбудено състояние (при 0 K), т.е. електрони, които участват в подредено движение под действието на външно електрическо поле.

В полупроводниците и изолаторите при 0 K валентната зона е напълно заселена, докато зоната на проводимост е отделена от нея със забранена зона и не съдържа носители. Следователно не твърде силното електрическо поле не е в състояние да усили електроните, разположени във валентната зона, и да ги прехвърли в зоната на проводимост. С други думи, такива кристали при 0 K трябва да бъдат идеални изолатори. С повишаване на температурата или облъчване на такъв кристал, електроните могат да абсорбират кванти топлинна или лъчиста енергия, достатъчни да преминат в зоната на проводимост. По време на този преход във валентната лента се появяват дупки, които също могат да участват в преноса на електричество. Вероятността за преход на електрон от валентната зона към зоната на проводимост е пропорционална на ( -Еж/ kT), където дж е ширината на забранената лента. С голяма стойност дж (2-3 eV), тази вероятност се оказва много малка.

По този начин разделянето на веществата на метали и неметали има добре дефинирана основа. Обратно, разделянето на неметалите на полупроводници и диелектрици няма такава основа и е чисто произволно.

Преди това се смяташе, че веществата със забранена лента могат да бъдат класифицирани като диелектрици дж≈ 2÷3 eV, но по-късно се оказа, че много от тях са типични полупроводници. Освен това беше показано, че в зависимост от концентрацията на примеси или излишни (над стехиометричния състав) атоми на един от компонентите, един и същ кристал може да бъде както полупроводник, така и изолатор. Това се отнася например за кристали от диамант, цинков оксид, галиев нитрид и др. Дори такива типични диелектрици като бариеви и стронциеви титанати, както и рутил, придобиват свойствата на полупроводници при частично редуциране, което е свързано с появата на излишни метални атоми в тях.

Разделянето на неметалите на полупроводници и диелектрици също има определено значение, тъй като са известни редица кристали, чиято електронна проводимост не може да бъде значително увеличена нито чрез въвеждане на примеси, нито чрез осветление или нагряване. Това се дължи или на много кратък живот на фотоелектроните, или на съществуването на дълбоки капани в кристалите, или на много ниска подвижност на електрони, т.е. с изключително ниска скорост на дрейфа им в електрическо поле.

Електрическата проводимост е пропорционална на концентрацията n, заряда e и подвижността на носителите на заряд. Следователно температурната зависимост на проводимостта различни материалисе определя от температурните зависимости на посочените параметри. За всички електронни проводници заряд дпостоянен и независим от температурата. В повечето материали подвижността обикновено леко намалява с повишаване на температурата поради увеличаване на интензивността на сблъсъци между движещи се електрони и фонони, т.е. поради разсейването на електрони от вибрации кристална решетка. Следователно различното поведение на металите, полупроводниците и диелектриците се свързва главно с концентрацията на носителя на заряд и неговата температурна зависимост:

1) в металите концентрацията на носители на заряд n е голяма и се променя леко с температура. променливавключена в уравнението за електропроводимост е подвижността. И тъй като подвижността леко намалява с температурата, електрическата проводимост също намалява;

2) в полупроводници и диелектрици нобикновено нараства експоненциално с температурата. Този бърз растеж нима най-значителен принос за промяната в проводимостта, отколкото намаляването на мобилността. Следователно електрическата проводимост се увеличава бързо с повишаване на температурата. В този смисъл диелектриците могат да се разглеждат като някакъв ограничаващ случай, тъй като при обикновени температури количеството нв тези вещества е изключително малък. При високи температурипроводимостта на отделните диелектрици достига нивото на полупроводниците поради растежа н. Наблюдава се и обратното - при ниски температури някои полупроводници стават изолатори.

Библиография

1. Уест А. Химия твърдо тяло. Част 2 Пер. от английски. - М.: Мир, 1988. - 336 с.
2. Съвременна кристалография. Т.4. Физични свойства на кристалите. - М.: Наука, 1981.

Студенти от 501 група на Химическия факултет: Беззубов S.I., Vorobieva N.A., Ефимов A.A.

Какви са неговите характеристики? Каква е физиката на полупроводниците? Как са построени? Какво е полупроводникова проводимост? Какви физични свойства притежават?

Какво е полупроводник?

Това се отнася до кристални материали, които не провеждат електричество толкова добре, колкото металите. Но все пак този индикатор е по-добър от изолаторите. Такива характеристики се дължат на броя на мобилните оператори. Най-общо казано, има силна привързаност към ядрата. Но когато в проводника се въведат няколко атома, например антимон, който има излишък от електрони, тази ситуация ще бъде коригирана. При използване на индий се получават елементи с положителен заряд. Всички тези свойства се използват широко в транзисторите - специални устройства, които могат да усилват, блокират или пропускат ток само в една посока. Ако разгледаме елемент от тип NPN, тогава можем да отбележим значителна усилваща роля, което е особено важно при предаване на слаби сигнали.

Конструктивни характеристики, притежавани от електрически полупроводници

Проводниците имат много свободни електрони. Изолаторите практически изобщо не ги притежават. Полупроводниците, от друга страна, съдържат както известно количество свободни електрони, така и празнини с положителен заряд, които са готови да приемат освободените частици. И най-важното, всички те провеждат Типът NPN транзистор, обсъден по-рано, не е единственият възможен полупроводников елемент. И така, има и PNP транзистори, както и диоди.

Ако говорим за последното накратко, тогава това е такъв елемент, който може да предава сигнали само в една посока. Диодът може също да превърне променлив ток в постоянен ток. Какъв е механизмът на такава трансформация? И защо се движи само в една посока? В зависимост от това откъде идва токът, електроните и празнините могат или да се разминават, или да отиват един към друг. В първия случай, поради увеличаване на разстоянието, захранването се прекъсва и следователно прехвърлянето на носители на отрицателно напрежение се извършва само в една посока, т.е. проводимостта на полупроводниците е едностранна. В крайна сметка токът може да се предава само ако съставните частици са наблизо. И това е възможно само когато ток се прилага от едната страна. Тези видове полупроводници съществуват и се използват в момента.

Лентова структура

Електрическите и оптичните свойства на проводниците са свързани с факта, че когато електроните запълват енергийни нива, те се отделят от възможни състояниязабранена зона. Какви са нейните характеристики? Факт е, че в забранената лента няма енергийни нива. С помощта на примеси и структурни дефекти това може да се промени. Най-високата напълно запълнена лента се нарича валентна зона. След това следва разрешеното, но празно. Нарича се проводяща лента. Физика на полупроводниците - доста интересна тема, а в рамките на статията ще бъде добре обхваната.

Електронно състояние

За това се използват понятия като номер на разрешената зона и квазиимпулс. Структурата на първия се определя от закона на дисперсията. Той казва, че се влияе от зависимостта на енергията от квазиимпулса. Така че, ако валентната лента е напълно запълнена с електрони (които носят заряд в полупроводниците), тогава те казват, че в нея няма елементарни възбуждания. Ако по някаква причина няма частица, това означава, че тук се е появила положително заредена квазичастица - празнина или дупка. Те са носители на заряд в полупроводниците във валентната зона.

Дегенеративни зони

Валентната лента в типичен проводник е шесткратно изродена. Това е без да се взема предвид спин-орбиталното взаимодействие и само когато квазиимпулсът е нула. Тя може да бъде разделена при същото условие на двойно и четворно изродени ивици. Енергийното разстояние между тях се нарича спин-орбитална разделяща енергия.

Примеси и дефекти в полупроводниците

Те могат да бъдат електрически неактивни или активни. Използването на първия позволява да се получи положителен или отрицателен заряд в полупроводниците, който може да бъде компенсиран чрез появата на дупка във валентната лента или електрон в проводящата лента. Неактивните примеси са неутрални и имат относително малък ефект върху електронните свойства. Освен това често може да има значение каква валентност имат атомите, които участват в процеса на пренос на заряда, и структурата

В зависимост от вида и количеството на примесите съотношението между броя на дупките и електроните също може да се промени. Следователно полупроводниковите материали трябва винаги да бъдат внимателно подбирани, за да се получи желаният резултат. Това е предшествано от значителен брой изчисления и впоследствие експерименти. Частиците, които повечето наричат ​​основни носители на заряд, не са първични.

Дозираното въвеждане на примеси в полупроводниците позволява да се получат устройства с необходимите свойства. Дефектите в полупроводниците също могат да бъдат в неактивно или активно електрическо състояние. Дислокацията, интерстициалният атом и ваканцията са важни тук. Течните и некристалните проводници реагират различно на примесите от кристалните. Липсата на твърда структура в крайна сметка води до факта, че изместеният атом получава различна валентност. Тя ще бъде различна от тази, с която първоначално насища връзките си. Става неизгодно за един атом да даде или да добави електрон. В този случай той става неактивен и следователно легираните полупроводници имат голям шанс за повреда. Това води до факта, че е невъзможно да се промени вида на проводимостта с помощта на допинг и да се създаде например p-n преход.

Някои аморфни полупроводници могат да променят своите електронни свойства под въздействието на допинг. Но това се отнася за тях в много по-малка степен, отколкото за кристалните. Чувствителността на аморфните елементи към допинг може да бъде подобрена чрез обработка. В заключение бих искал да отбележа, че благодарение на дългата и упорита работа легираните полупроводници все още са представени от редица резултати с добри характеристики.

Електронна статистика в полупроводник

Когато съществува, броят на дупките и електроните се определя единствено от температурата, параметрите на лентовата структура и концентрацията на електрически активни примеси. Когато се изчислява съотношението, се приема, че някои от частиците ще бъдат в зоната на проводимост (на ниво акцептор или донор). Той също така взема предвид факта, че част може да напусне територията на валентността и там се образуват пропуски.

Електропроводимост

В полупроводниците, в допълнение към електроните, йоните също могат да действат като носители на заряд. Но тяхната електропроводимост в повечето случаи е незначителна. Като изключение могат да се цитират само йонни свръхпроводници. Има три основни механизма на пренос на електрони в полупроводниците:

1. Основна зона. В този случай електронът се движи поради промяна в енергията си в рамките на същата разрешена територия.
2. Прескачащ трансфер през локализирани състояния.
3. Поларон.

екситон

Дупка и електрон могат да образуват свързано състояние. Нарича се екситон на Wannier-Mott. В този случай, което съответства на ръба на поглъщане, намалява с размера на връзката. При достатъчно енергия в полупроводниците може да се образува значително количество екситони. С увеличаването на тяхната концентрация се получава кондензация и се образува течност с електронни дупки.

Полупроводникова повърхност

Тези думи означават няколко атомни слоя, които са разположени близо до ръба на устройството. Свойствата на повърхността са различни от свойствата на обема. Наличието на тези слоеве нарушава транслационната симетрия на кристала. Това води до така наречените повърхностни състояния и поляритони. Развивайки темата за последното, трябва да се информират и за спиновите и вибрационните вълни. Поради химическата си активност, повърхността е покрита с микроскопичен слой от чужди молекули или атоми, които са били адсорбирани от околен свят. Те определят свойствата на тези няколко атомни слоя. За щастие, създаването на свръхвисока вакуумна технология, в която се създават полупроводникови елементи, позволява да се получи и поддържа чиста повърхност в продължение на няколко часа, което има положителен ефект върху качеството на получените продукти.

полупроводник. Температурата влияе на устойчивостта

Когато температурата на металите се повиши, тяхната устойчивост също се увеличава. При полупроводниците е обратното - при същите условия този параметър ще намалее за тях. Въпросът тук е, че електропроводимостта на всеки материал (а тази характеристика е обратно пропорционална на съпротивлението) зависи от това какъв токов заряд имат носителите, от скоростта на движението им в електрическо поле и от броя им в единица обем Материалът.

В полупроводниковите елементи с повишаване на температурата концентрацията на частици се увеличава, поради което топлопроводимостта се увеличава и съпротивлението намалява. Можете да проверите това, ако имате прост набор от млад физик и необходим материал- силиций или германий, можете също да вземете полупроводник, направен от тях. Повишаването на температурата ще намали тяхната устойчивост. За да се уверите в това, трябва да се запасите измервателни уреди, което ще ви позволи да видите всички промени. Това е в общия случай. Нека да разгледаме няколко частни опции.

Съпротивление и електростатична йонизация

Това се дължи на тунелирането на електрони, преминаващи през много тясна бариера, която доставя около една стотна от микрометъра. Намира се между краищата на енергийните зони. Появата му е възможна само при накланяне на енергийните ленти, което се случва само под въздействието на силно електрическо поле. Когато възникне тунелиране (което е квантово-механичен ефект), тогава електроните преминават през тясна потенциална бариера и тяхната енергия не се променя. Това води до увеличаване на концентрацията на носители на заряд и в двете ленти: както проводимост, така и валентност. Ако се развие процесът на електростатична йонизация, тогава може да възникне тунелен разпад на полупроводника. По време на този процес съпротивлението на полупроводниците ще се промени. Той е обратим и веднага щом електрическото поле бъде изключено, всички процеси ще бъдат възстановени.

Устойчивост и ударна йонизация

В този случай дупките и електроните се ускоряват, докато преминават средния свободен път под въздействието на силно електрическо поле до стойности, които допринасят за йонизацията на атомите и разкъсването на една от ковалентните връзки (основният атом или примес ). Ударната йонизация протича като лавина и носителите на заряд се размножават в нея като лавина. В този случай новосъздадените дупки и електрони се ускоряват от електрически ток. Текуща стойност в краен резултатсе умножава по коефициента на ударна йонизация, който е равен на броя на двойките електрон-дупка, които се образуват от носителя на заряд в един сегмент от пътя. Развитието на този процес в крайна сметка води до лавинообразен срив на полупроводника. Съпротивлението на полупроводниците също се променя, но, както в случая на разрушаване на тунел, то е обратимо.

Използването на полупроводници в практиката

Особеното значение на тези елементи трябва да се отбележи в компютърните технологии. Почти не се съмняваме, че няма да се интересувате от въпроса какво представляват полупроводниците, ако не беше желанието самостоятелно да сглобите обект, използвайки ги. Невъзможно е да си представим работата на съвременните хладилници, телевизори, компютърни монитори без полупроводници. Не правете без тях и напреднали автомобилни разработки. Използват се и в авиацията и космически технологии. Разбирате ли какво представляват полупроводниците, колко са важни? Разбира се, не може да се каже, че това са единствените незаменими елементи за нашата цивилизация, но и те не бива да се подценяват.

Използването на полупроводниците в практиката също се дължи на редица фактори, включително широкото разпространение на материалите, от които са направени, и лекотата на обработка и получаване на желания резултат, както и други технически характеристики, поради които изборът на учените, разработили електронно оборудване, се спряха на тях.

Заключение

Разгледахме подробно какво представляват полупроводниците, как работят. Тяхната устойчивост се основава на сложни физични и химични процеси. И можем да ви уведомим, че фактите, описани в статията, няма да разберат напълно какво представляват полупроводниците по простата причина, че дори науката не е проучила характеристиките на тяхната работа до края. Но знаем техните основни свойства и характеристики, които ни позволяват да ги прилагаме на практика. Следователно можете да търсите полупроводникови материали и да експериментирате с тях сами, като внимавате. Кой знае, може би във вас дреме велик изследовател?!

Наред с проводниците на електричество в природата има много вещества, които имат много по-ниска електропроводимост от металните проводници. Вещества от този вид се наричат ​​полупроводници.

Полупроводниците включват: някои химични елементи, като селен, силиций и германий, серни съединения, като талиев сулфид, кадмиев сулфид, сребърен сулфид, карбиди, като карборунд,въглерод (диамант),бор, сив калай, фосфор, антимон, арсен, телур, йод и редица съединения, които съдържат поне един от елементите от 4-та - 7-ма група на Менделеевата система. Има и органични полупроводници.

Природата електропроводимостполупроводник зависи от вида на примесите, присъстващи в основния материал на полупроводника, и от технологията на производство на неговите компоненти.

Полупроводникът е вещество с 10 -10 - 10 4 (ома х см) -1, което според тези свойства е между проводника и изолатора. Разликата между проводници, полупроводници и изолатори според лентовата теория е следната: в чистите полупроводници и електронните изолатори има забранена зона между запълнената зона (валентност) и зоната на проводимост.

Защо полупроводниците провеждат ток

Полупроводникът има електронна проводимост, ако в атомите на неговия примес външните електрони са относително слабо свързани с ядрата на тези атоми. Ако в този вид полупроводник се създаде електрическо поле, тогава под въздействието на силите на това поле външните електрони на атомите на полупроводниковите примеси ще напуснат границите на своите атоми и ще се превърнат в свободни електрони.

Свободните електрони ще създадат ток на електрическа проводимост в полупроводника под въздействието на силите на електрическото поле. Следователно естеството на електрическия ток в полупроводниците с електронна проводимост е същото като в металните проводници. Но тъй като има многократно по-малко свободни електрони на единица обем на полупроводник, отколкото в единица обем на метален проводник, естествено е, че при всички други идентични условия токът в полупроводника ще бъде многократно по-малък, отколкото в металния проводник. диригент.

Полупроводникът има "дупка" проводимост, ако атомите на неговия примес не само не се отказват от външните си електрони, но, напротив, са склонни да уловят електроните на атомите на основното вещество на полупроводника. Ако примесен атом вземе електрон от атом на основното вещество, тогава в последния се образува нещо като свободно пространство за електрон - „дупка“.

Полупроводников атом, който е загубил електрон, се нарича "електронна дупка" или просто "дупка". Ако „дупката“ се запълни с електрон, който е преминал от съседен атом, тогава той се елиминира и атомът става електрически неутрален, а „дупката“ се измества към съседния атом, който е загубил електрон. Следователно, ако се приложи електрическо поле към полупроводник с "дупкова" проводимост, тогава "електронните дупки" ще бъдат изместени в посоката на това поле.

Пристрастие "електронни дупки" по посока на електрическото поле е подобно на движението на положителните електрически заряди в полето и следователно представлява явлението електрически ток в полупроводник.

Полупроводниците не могат да бъдат строго разграничени по механизма на тяхната електрическа проводимост, тъй като заедно сПроводимостта на "дупката" на даден полупроводник може до известна степен да има и електронна проводимост.

Полупроводниците се характеризират с:

тип проводимост (електронна - n-тип, дупка - p-тип);

съпротивление;

живот на носителите на заряд (малцинство) или дължина на дифузия, скорост на повърхностна рекомбинация;

плътност на дислокация.

Силицият е най-разпространеният полупроводников материал

Температурата оказва влияние върху характеристиките на полупроводниците. Увеличаването му води главно до намаляване съпротивлениеи обратното, т.е. полупроводниците се характеризират с наличието на отрицателен . Близо до абсолютната нула полупроводникът се превръща в изолатор.

Полупроводниците са в основата на много устройства. В повечето случаи те трябва да бъдат получени под формата на монокристали. За да придадат желаните свойства, полупроводниците се легират с различни примеси. Към чистотата на изходните полупроводникови материали се налагат повишени изисквания.

В съвременната технология полупроводниците са намерили най-широко приложение, те са имали много силно влияние върху технически прогрес. Благодарение на тях е възможно значително да се намалят теглото и размерите на електронните устройства. Развитието на всички области на електрониката води до създаване и усъвършенстване Голям бройразлично оборудване на полупроводникови устройства. Полупроводниковите устройства служат като основа за микроелементи, микромодули, твърди вериги и др.

Електронните устройства, базирани на полупроводникови устройства, са практически безинерционни. Едно внимателно изработено и добре запечатано полупроводниково устройство може да издържи десетки хиляди часове. Някои полупроводникови материали обаче имат малка температурна граница (например германий), но не много сложната температурна компенсация или замяната на основния материал на устройството с друг (например силиций, силициев карбид) до голяма степен елиминира този недостатък. Подобряването на технологията на производство на полупроводникови устройства води до намаляване на съществуващото разсейване и нестабилност на параметрите.

При производството на полупроводникови диоди се използват контакт полупроводник-метал и електрон-дупков преход (n-p-преход), създаден в полупроводниците. Двойни преходи (р-n-р или n-р-n) - транзистори и тиристори. Тези устройства се използват главно за коригиране, генериране и усилване на електрически сигнали.

Въз основа на фотоелектричните свойства на полупроводниците се създават фоторезистори, фотодиоди и фототранзистори. Полупроводникът служи като активна част от генераторите (усилвателите) на трептения. При преминаване на електрически ток p-n преходв посока напред носителите на заряд - електрони и дупки - се рекомбинират с излъчването на фотони, което се използва за създаване на светодиоди.

Термоелектричните свойства на полупроводниците позволиха да се създадат полупроводникови термични съпротивления, полупроводникови термоелементи, термобатерии и термоелектрически генератори и термоелектрическо охлаждане на полупроводници, базирано на ефекта на Пелтие, - термоелектрически хладилници и термостабилизатори.

Полупроводниците се използват в безмашинни преобразуватели на топлинна и слънчева енергия в електрическа - термоелектрически генератори и фотоволтаични преобразуватели (слънчеви батерии).

Механичното напрежение, приложено върху полупроводника, го променя електрическо съпротивление(ефектът е по-силен, отколкото при металите), което беше в основата на полупроводниковия тензодатчик.

Полупроводниковите устройства се използват широко в световната практика, революционизирайки електрониката, те служат като основа за разработването и производството на:

измервателна техника, компютри,

оборудване за всички видове комуникации и транспорт,

за автоматизация на процеси в индустрията,

устройства за научни изследвания,

ракетна технология,

медицинско оборудване

други електронни устройства и устройства.

Използването на полупроводникови устройства ви позволява да създавате ново оборудване и да подобрявате старото, което означава, че води до намаляване на неговите размери, тегло, консумация на енергия и следователно до намаляване на генерирането на топлина във веригата, до увеличаване на якостта , до незабавна готовност за действие, ви позволява да увеличите експлоатационния живот и надеждността на електронните устройства.