5.3Полупроводниковые материалы: определение и классификация

Полупроводники при комнатной температуре занимают по удельному сопротивлению, имеющему значения 10^-6 – 10⁹ Ом^.м, промежуточное положение между металлами и диэлектриками. По ширине запрещенной зоны к полупроводникам относят вещества, ширина запрещенной зоны которых лежит в диапазоне 0.1 – 3.0 эВ.

Приведенные данные следует считать ориентировочными, так как они относятся к нормальным условиям, но могут сильно отличаться в зависимости от температуры.

Удельная проводимость полупроводников в сильной степени зависит от вида и количества содержащихся в них примесей и дефектов. Для них характерна чувствительность к свету, электрическому и магнитному полю, радиационному воздействию, давлению и др.

В полупроводниках часто наблюдается смешанный тип химических связей: ковалентно-металлический, ионно-металлический и др. К ним относятся многие химические элементы и химические соединения:

простые вещества: германий, кремний; селен, теллур, бор, фосфор, сера, сурьма, мышьяк и др.;

• окислы и сульфиды многих металлов: NiO, Cu₂O, CuO, CdO, PbS и др.;

• тройные соединения: CuSbSr, CuFeSe₂, PbBiSe₃ и др.;

• твердые растворы GeSi, GaAs_1-x P_x и др.;

• органические красители и другие материалы: антрацен, фталоцианин, нафталин и другие.

Полупроводники могут быть жидкими или твердыми, кристаллическими или аморфными.

5.4Основные параметры полупроводников

Из электрофизических параметров важнейшими являются: удельная электрическая проводимость (или величина обратная ей — удельное электрическое сопротивление), концентрация электронов и дырок, температурные коэффициенты удельного сопротивления, ширина запрещенной зоны, энергия активации примесей, работы выхода, коэффициента диффузии носителей заряда и другие. Для некоторых применений важны коэффициент термо-ЭДС и коэффициент термоэлектрического эффекта, коэффициент Холла и т.п.

К фундаментальным параметрам относятся плотность, постоянная кристаллической решетки, коэффициент теплопроводности, температура плавления и др.

5.5Собственные и примесные полупроводники, типы носителей заряда. Собственная проводимость

Свободными носителями заряда в полупроводниках, как правило, являются электроны, возникающие в результате ионизации атомов самого полупроводника (собственная проводимость) или атома примеси (примесная проводимость). В некоторых полупроводниках носителями заряда могут быть ионы. На рисунке 2 показана атомная модель кремния и энергетическая диаграмма собственного полупроводника, в котором происходит процесс генерации носителей заряда.

а) б) Рис. 2. Атомная модель кремния-а) и энергетическая диаграмма собственного полупроводника-б)

При абсолютном нуле зона проводимости пустая, как у диэлектриков, а уровни валентной зоны полностью заполнены. При повышении температуры, под действием облучения, сильных электрических полей и т.д., некоторая часть электронов валентной зоны переходит в зону проводимости. Энергия W_o в случае беспримесного полупроводника, равна ширине запрещенной зоны и называется энергией активации. В валентной зоне остается свободное энергетическое состояние, называемое дыркой, имеющей единичный положительный заряд.

При отсутствии электрического поля дырка, как и электрон, будет совершать хаотические колебания, при этом происходят и обратные переходы электронов из зоны проводимости на свободные уровни валентной зоны (рекомбинация). Эти процессы условно показаны на Рис. 3.

Рис. 3. Процессы генерации и рекомбинации в полупроводнике

Электропроводность, возникающая под действием электрического поля за счет движения электронов и в противоположном направлении такого же количества дырок, называется собственной. В удельную проводимость полупроводника дают вклад носители двух типов - электроны и дырки

,

где e – заряд электрона;

n и _n — концентрация и подвижность электронов;

p и _p — концентрация и подвижность дырок.

Для собственного полупроводника концентрация носителей определяется шириной запрещенной зоны и значением температуры по уравнению Больцмана

то есть при 0< kT <W_o переброс через запрещенную зону возможен. В собственном полупроводнике концентрация электронов n_i равна концентрации дырок p_i, n_i = p_i , n_i + p_i = 2n_i .

Подвижность носителей заряда представляет скорость, приобретаемую свободными электронами или ионами в электрическом поле единичной напряженности

, [μ]=м²/(В ^. с).

Подвижность дырок существенно меньше, чем подвижность электронов. Подвижности электронов и дырок в некоторых полупроводниках приведены в приложении 1.

Примесная проводимость. Поставка электронов в зону проводимости и дырок в валентную зону может быть за счет примесей, которые могут ионизоваться уже при низкой температуре. Энергия их активации значительно меньше энергии, необходимой для ионизации основных атомов вещества. Примеси, поставляющие электроны в зону проводимости, занимают уровни в запретной зоне вблизи дна зоны проводимости. Они называются донорными. Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны, располагаются на уровнях в запретной зоне вблизи потолка валентной зоны и называются акцепторными. На рисунке 4 показаны энергетические диаграммы полупроводника, содержащего донорные и акцепторные примеси.

а) б) Рис. 4 Энергетические диаграммы полупроводников, содержащих донорные – а) и акцепторные – б) примеси

Общее выражение для удельной электрической проводимости полупроводника с примесями можно записать так

, (12)

где первое слагаемое определяет собственную, а второе - примесную проводимости.