Полупроводниковые материалы

Полупроводники представляют собой материалы, которые по удельной электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками (металлами) и диэлектриками. При незначительных внешних воздействиях света, тепла, электрического напряжения, под действием примесей в них появляется достаточное количество свободных электронов, способных переносить электрический ток.

В настоящее время наиболее распространены так называемые элементарные (простые) полупроводники, то есть такие материалы, которые состоят из одного химического элемента (например, германий, кремний, селен, бор, фосфор, мышьяк, сера).

К сложным полупроводникам относят композиции, основной состав которых образован атомами двух или большего числа химических элементов.

Некоторые элементы, являющиеся в чистом виде проводниками (алюминий, индий (In), сурьма, галлий и др.), в составе интерметаллических соединений обладают полупроводниковыми свойствами.

Полупроводниковыми свойствами обладают и некоторые окислы (закись меди CuO, окись магния MgO, окись алюминия Al₂O₃), сульфиды и селениды некоторых металлов и даже многие высокомолекулярные органические соединения, называемые органическими полупроводниками. В настоящее время изучаются также стеклообразные и жидкие полупроводники.

Управляемость электропроводностью полупроводников посредством температуры, света, электрического поля, механических усилий положена в основу принципа действия различных полупроводниковых приборов, соответственно, терморезисторов (термистеров), фоторезисторов, нелинейных резисторов (варисторов), тензорезисторов и т. д.

Наличие у полупроводников двух типов электропроводности − электронной (n) и электронно-дырочной (p) - позволяет получить полупроводниковые изделия с р-п-переходом. Сюда относятся различные типы выпрямителей, усилителей и генераторов. Полупроводниковые системы могут быть использованы для преобразования различных видов энергии в энергию электрического тока (например, солнечные батареи и термоэлектрические генераторы). Полупроводники могут служить нагревательными элементами (силитовые стержни), индикаторами радиоактивных излучений и т.д.

Из полупроводниковых материалов наиболее широко применяют германий и кремний, которые обладают многими ценными свойствами.

В последнее время все чаще используют искусственно созданные полупроводники следующих композиций: мышьяк-галлий (арсенид галлия), индий-сурьма, кадмий-висмут.

Германий и кремний подвергаются многократной тонкой и весьма тщательной обработке, прежде чем они превратятся в кристаллы, пригодные для изготовления полупроводниковых приборов. Этой обработкой достигают необходимой чистоты и однородного состава материала, а также дефектности кристаллической решетки. Однородность состава и высокая степень совершенства кристаллической решетки достижимы лишь в монокристаллах чистых элементов.

Германий и кремний обладают высокой подвижностью в них носителей тока, обусловленной пространственным расположением ковалентных межатомных связей, и поэтому они оказались пригодными для изготовления не только выпрямителей, но и кристаллических усилителей (транзисторов), фотоприемников и др.

Весьма перспективно использование кремния в новых источниках тока - солнечных батареях, преобразующих энергию солнечного света непосредственно в электрическую энергию с КПД, превышающим 10%.

Изготовленные из полупроводниковых материалов приборы обладают следующими преимуществами:

I) большой срок службы;

2) малые габариты и масса;

3) простота и надежность конструкции, большая механическая прочность (они не боятся тряски и ударов);

4) отсутствие цепей накала при замене полупроводниковыми приборами электронных ламп, потребление малой мощности и малая инерционность;

5) экономичность при массовом производстве.