Санкт-Петербургский Государственный Университет

Информационных Технологий, Механики и Оптики

Полупроводники.

Германий.

Факультет: КТУ

Группа: 1163

Студент: Хитрый лисиц =)

Преподаватель: Новиков А. Ф.

Санкт-Петербург.

2007 год

Содержание

Полупроводники 3

Германий 5

Электрический ток в полупроводниках 8

Типы полупроводников 14

Образование свободных носителей

в полупроводниках без примесей

(собственная проводимость) 17

Энергетические зоны в полупроводниках 22

Примесная проводимость

в полупроводниках 25

Уровень Ферми 30

Список использованной литературы 31

ПОЛУПРОВОДНИКИ

Уже свыше 150 лет назад людям было известно, что вещества по-разному проводят электрический ток. В учебнике "Начальные основания опытной физики", изданном в 1826 году, его автор Иван Двигубский отмечает:"Английский физик Кавендиш опытами доказал, что вода проводит электричество в 400 млн. раз хуже металла; невзирая на сие, она еще не совсем худой проводник электричества. Тела, кои в рассуждение способности проводить электричество, занимают как бы среднее место между проводниками и непроводниками, называются полупроводниками".

Тогда же обратили внимание на то, что вещества отличаются не только величиной проводимости, но ее изменением с температурой. В 1821 году английский химик Хэмфри Дэви установил, что электропроводность металлов уменьшается с ростом температуры. Продолживший исследования Дэви его ученик Майкл Фарадей в 1833 году обнаружил, что у сернистого серебра электропроводность не падает, а возрастает с ростом температуры. В своей знаменитой работе "Экспериментальные исследования по электричеству" Фарадей так написал по этому поводу: "Я не знаю ни одного вещества, которое, подобно сернистому серебру, может в горячем состоянии сравниться с металлами в отношении проводимости электричества, и у которого, наряду с этим, в отличие от металлов, она, наоборот, увеличивается. Однако, если поискать, то, вероятно, можно будет найти немало таких веществ".

В течение последующих пяти лет Фарадей обнаружил, еще несколько "таких веществ": фторид свинца (PbF₂), сульфид ртути (HgS) и ряд других, также обладавших необычной зависимостью проводимости от температуры. В то время, однако, это не вызвало никакого заметного интереса в научном мире. Так продолжалось до тех пор, пока в 1873 году не обнаружили, что сопротивление селена изменяется при освещении. Селеновые фотосопротивления почти немедленно стали использоваться в различных оптических приборах. Возникла потребность объяснить причину этого явления, начать поиск новых светочувствительных материалов. На рубеже ХХ столетия физики начали специально изучать материалы, которые нельзя было отнести ни к проводникам, ни к диэлектрикам. Обратили внимание и на другие особенности в электрических свойствах веществ, которые из-за своей проводимости были названы полупроводниками: на спае теллура или сульфида свинца с металлом при нагревании возникала необычно высокая эдс, контакт сульфида свинца с металлом хорошо проводил ток в одном направлении и плохо - в другом. Формирование представлений о физических процессах, происходящих в полупроводниках затруднялось многообразием обнаруженных явлений. Тем не менее, уже в начале ХХ века природа электропроводности полупроводников получила правильное объяснение. Этому успеху в значительной степени способствовали работы немецкого электрохимика И. Кенигсбергера.

Кенигсбергер рассуждал следующим образом. Известно, что проводимость определяется величиной тока, который протекает через сечение площадью 1 м². под действием электрического поля напряженностью 1 В/м. Поскольку электрический ток - это упорядоченное движение заряженных частиц, то он будет зависеть от концентрации этих частиц, скорости их упорядоченного движения и величиной переносимого каждой частицей заряда:

Q = N·v·q

Таким образом, изменение проводимости определяется зависимостью от температуры перечисленных выше факторов. Попробуем проанализировать их.

Заряд частицы q является постоянным, не зависящим от температуры. Поэтому данную величину можно исключить из списка факторов, обуславливающих зависимость проводимости от температуры.

Скорость движения частиц с температурой возрастает. Но тепловое движение частиц является не упорядоченным, а хаотичным. Возрастание скорости хаотичного движения увеличивает число столкновений этих частиц с атомами и друг с другом, и в результате скорость упорядоченного переноса заряда (а именно это является обязательным признаком электрического тока) уменьшается. В результате проводимость должна уменьшаться с ростом температуры. Это мы и наблюдаем в металлах.

Остается предположить, что с возрастанием температуры увеличивается концентрация частиц - носителей заряда. Причем это увеличение настолько велико, что с лихвой перекрывает уменьшение скорости упорядоченного переноса заряда.

Именно это и предположил Кенигсбергер. В своей работе, опубликованной в 1906 году, он писал: "При повышении температуры в оксидах и сульфидах число проводящих или свободных квантов электричества - электронов - увеличивается, пока не станет предельным, после чего их поведение уподобляется металлам, в которых при нормальной температуре почти все электроны свободны".

Помимо характерной температурной зависимости проводимости, класс полупроводников с точки зрения Кенигсбергера характеризуется и еще несколькими основными свойствами: величиной удельного сопротивления в пределах от 10^-8 до 10¹ Ом*м; большими значениями термо-эдс в паре с металлом; невыполнением закона Ома на контакте полупроводник-металл; чувствительностью к свету.

Германий

Германий — вещество серебристого цвета с металлическим блеском. Кристаллическая решетка устойчивой модификации (Ge I), кубическая, гранецентрированная типа алмаза, а = 0,533 нм (при высоких давлениях получены три другие модификации).

Германий обладает полупроводниковыми свойствами, ширина запрещенной зоны 0,66 эВ (при 300 К). Германий прозрачен для инфракрасного излучения с длиной волны больше 2 мкм.

По химическим свойствам Ge напоминает кремний. При обычных условиях устойчив к кислороду, парам воды, разбавленным кислотам. В присутствии сильных комплексообразователей или окислителей, при нагревании германий реагирует с кислотами:

Ge + H₂SO_{4 (конц)} = Ge(SO₄)₂ + 2SO₂↑ + 4H₂O,

Ge + 6HF = H₂[GeF₆] + 2H₂↑,

Ge + 4HNO_{3 (конц)} = H₂GeO₃ + 4NO₂↑ + 2H₂O

Ge реагирует с царской водкой:

Ge + 4HNO₃ + 12HCl = GeCl₄ + 4NO↑ + 8H₂O.

С растворами щёлочей германий взаимодействует в присутствии окислителей:

Ge + 2NaOH + 2H₂O₂ = Na₂[Ge(OH)₆].

При нагревании на воздухе до 700 °C Ge загорается при температуре образуется диоксид германия GeO₂. Ge легко взаимодействует с галогенами и серой:

Ge + 2I₂ = GeI₄.

С водородом, азотом, углеродом германий непосредственно в реакции не вступает, соединения с этими элементами получают косвенным путем. Например, нитрид Ge3N4 образуется при растворении дииодида германия GeI₂ в жидком аммиаке:

GeI₂ + NH_{3 (жидк)} = [GeNH]_n + Ge₃N₄.

Оксид германия (IV) GeO₂, — белое кристаллическое вещество, существующее в двух модификациях. Одна из модификаций частично растворима в воде с образование сложных германиевых кислот. Проявляет амфотерные свойства.

С щелочами GeO₂ взаимодействует как кислотный оксид:

GeO₂ + 2NaOH = Na₂GeO₃ + H₂O.

GeO₂ взаимодействует с кислотами:

GeO₂ + 4HCl = GeCl₄ + 2H₂O.

Тетрагалогениды Ge — неполярные соединения, легко гидролизующиеся водой.

3GeF₄ + 2H₂O = GeO₂ + 2H₂GeF₆.

Тетрагалогениды получают прямым взаимодействием:

Ge + 2Cl₂ = GeCl₄

или термическим разложением:

BaGeF₆ = GeF₄ + BaF₂

Гидриды германия по химическим свойствам подобны гидридам кремния, но моногерман GeH₄ более устойчив, чем силан SiH₄. Германы образуют гомологические ряды Ge_nH_2n+2, Ge_nH_2n и другие, но эти ряды короче, чем у силанов.

Моногерман GeH₄ — газ, устойчивый на воздухе, не реагирующий с водой. При длительном хранении разлагается на H₂ и Ge. Получают моногерман восстановлением диоксида германия GeO₂ борогидридом натрия NaBH₄:

GeO₂ + NaBH₄ = GeH₄↑ + NaBO₂.

Очень неустойчивый монооксид GeO образуется при умеренном нагревании смеси германия и диоксида GeO₂:

Ge + GeO₂ = 2GeO.

Соединения Ge (II) легко диспропорционируют с выделением Ge:

2GeCl₂ = Ge + GeCl₄.

Дисульфид германия GeS₂ — белое аморфное или кристаллическое вещество, получается осаждением H₂S из кислых растворов GeCl₄:

GeCl₄ + 2H2S = GeS₂ + 4HCl.

GeS₂ растворяется в щелочах и сульфидах аммония или щелочных металлов:

GeS₂ + 6NaOH = Na₂[Ge(OH)₆] + 2Na₂S,

GeS₂ + (NH₄)₂S = (NH₄)2GeS₃.

Ge может входить в состав органических соединений. Известны (CH₃)₄Ge, (C₆H₅)₄Ge, (CH₃)₃GeBr, (C₂H₅)₃GeOH и другие.