153

Глава 3. Элементы физики полупроводников

3.1. Классификация материалов твердотельной электроники

Материалы, используемые в твердотельной электронике можно подразделить на активные и пассивные. Активными (рисунок 3.1) называют материалы, характери­зуемые определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю и другим воздействиям и применяемые с учетом этих свойств. Практически различные материалы подвергаются воздействиям как отдельно электрических или магнитных полей, так и их совокупности.

По поведению в электрическом поле материалы подразделяют на проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические [17].

Большинство активных материалов можно отнести к слабомагнитным или практически немагнитным. Однако и среди магнетиков следует различать проводящие, полупроводящие и практичес­ки непроводящие, что определяет частотный диапазон их применения.

Проводниками называют материалы, основным электрическим свойством которых является сильно выраженная электропроводность. Их применение в технике обусловлено в основном этим свойством, определяющим высокую удельную электрическую проводимость при нормальной температуре.

Рисунок 3.1 - Классификация материалов твердотельной электроники

Полупроводниками называют материалы, являющиеся по удельной проводимости промежуточными между проводниковыми и диэлектрическими материалами и отличительным свойством которых является сильная зависимость удельной проводимости от концентрации и вида примесей или различных дефектов, а также в большинстве случаев от внешних энергетических воздействий (температуры, излучений и т.п.).

Диэлектриками называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля. Реальный (технический) диэлектрик тем более приближается к идеальному, чем меньше его удельная проводимость и чем слабее у него выражены замедленные механизмы поляризации, связанные с поглощением части электрической энергии и выделением теплоты.

При применении диэлектриков довольно четко определилась необходимость использования как пассивных, так и активных свойств этих материалов.

Пассивные свойства диэлектрических материалов используются, когда их применяют в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов обычных типов. Электроизоляционными материалами называют диэлектрики, которые не допускают утечки электрических зарядов, т.е. с их помощью отделяют электрические цепи друг от друга или токоведущие части устройств, приборов и аппаратов от проводящих, но не токоведущих частей (от корпуса, от земли). В этих случаях диэлектрическая проницаемость материала не играет особой роли, или она должна быть, возможно, меньшей, чтобы не вводить в схему паразитных ёмкостей. Если материал используется в качестве диэлектрика конденсатора определенной ёмкости и наименьших размеров, то при прочих равных условиях желательно, чтобы этот материал имел большую диэлектрическую проницаемость.

Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, материалы для излучателей и затворов в лазерной технике, электреты и т.д.

Условно к проводникам относят материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ < 10^–5 Ом·м, а к диэлектрикам – материалы, у которых ρ > 10⁸ Ом·м. При этом надо заметить, что сопротивление хороших проводников может составлять всего 10^–8 Ом·м, а у лучших диэлектриков превосходить 10¹⁶ Ом·м . Удельное сопротив­ление полупроводников в зависимости от строения и состава материа­лов, а также от условий их эксплуатации может изменяться в пределах 10^–5 —10⁸ Ом·м. Хорошими проводниками электрического тока яв­ляются металлы. Из 105 химических элементов лишь двадцать пять являются неметаллами, причем двенадцать элементов могут проявлять полупроводниковые свойства. Но кроме элементарных веществ сущест­вуют тысячи химических соединений, сплавов или композиций со свойствами проводников, полупроводников или диэлектриков. Четкую границу между значениями удельного сопротивления различных клас­сов материалов провести достаточно сложно. Например, многие полу­проводники при низких температурах ведут себя подобно диэлектри­кам. В то же время диэлектрики при сильном нагревании могут прояв­лять свойства полупроводников. Качественное различие состоит в том, что для металлов проводящее состояние является основным, а для полу­проводников и диэлектриков — возбужденным.

Совокупность научно-технических знаний о физико-химической природе, методах исследования и изготовления различных материалов составляет основу материаловедения, ведущая роль которого в настоя­щее время широко признана во многих областях науки и техники и особенно в микроэлектронике.