23.5. Полупроводниковые материалы

Строение и свойства полупроводниковых материалов. К полупроводниковым относятся материалы, обладающие удельным электрическим сопротивлением в пределах 10^-5—10⁸ Ом м, т. е. промежуточным между металлами и диэлектриками. Материалы этого класса используются в электроной промышленности. К ним относятся 12 элементов (бор, углерод, кремний, германий, олово, фосфор, мышьяк, сурьма, сера, селен, теллур, иод), представляющие простые полупроводники, а также многие химические соединения элементов различных групп периодической таблицы Д. И. Менделеева, как то карбид кремния, антимонид цинка, арсенид галлия, сульфиды цинка и кадмия, оксиды цинка и железа).

Из простых полупроводников наиболее распространены германий и кремний.

Появление электрического тока в полупроводнике возможно лишь тогда, когда часть электронов покидает заполненную валентную зону и переходит в зону проводимости, где они становятся носителями электрического тока. Для такого перехода электроны должны пройти зону запрещенных энергий ∆Е, для чего необходима определенная энергия, которую полупроводник может получить в виде света или теплоты. При нагреве увеличивается концентрация носителей электрического тока, а электрическое сопротивление полупроводника уменьшается.

Чем больше ширина запрещенной зоны, тем выше должна быть температура нагрева полупроводника для разрушения ковалентных связей и образования носителей тока. Так, у кремния ширина запрещенной зоны существенно выше, чем у германия, поэтому при нагреве кремний сохраняет высокие постоянные значения электрического сопротивления до больших температур. Это позволяет использовать кремниевые приборы для работы при более высоких температурах, чем германиевые.

В кристаллах с ковалентной связью проводимость электрического тока может осуществляться как путем перемещения электронов (электронная — п-проводимость), так и путем перемещения «дырок» (дырочная — р- проводимость). Вследствие большой подвижности электронов в «идеальных» кристаллах химически чистого полупроводника электронная проводимость превалирует. В реальных кристаллах химически чистых германия и кремния может превалировать дырочная проводимость из-за неизбежных дефектов в упаковке атомов (дислокации, вакансии, границы зерен, блоков и т. д.). Проводимость в химически чистом полупроводнике называется собственной проводимостью. Однако получить химически чистые элементы весьма сложно. Вследствие этого полупроводники всегда содержат примеси, которые меняют характер и величину проводимости. Электрическая проводимость, обусловленная присутствием примесей в полупроводнике, называется примесной.

Примеси резко изменяют собственную проводимость полупроводника. Так при содержании 10^-7% атомов примесей собственное удельное электрическое сопротивление германия снижается от 0,5 до 0,15 Ом м.

В связи с этим для изготовления высококачественных приборов необходимы монокристаллы германия и кремния высокой степени чистоты и совершенной кристаллической структуры. Для получения нужного типа проводимости, кристаллы легируют в строго контролируемых микродозах.

Кроме химически чистых элементов в полупроводниковой технике используют сложные полупроводниковые соединения.