Лекция 3
Полупроводниковые материалы
Современная энергетика и промышленное производство немыслимы без развития технологии производства и использования свойств полупроводниковых материалов.
Основное свойство полупроводниковых материалов – возможность изменять проводимость с помощью энергетических воздействий различной природы.
Согласно данной ранее классификации – это материалы, ширина запрещенной зоны, которых лежит в пределах ΔЭ = (0…3,5÷4) ЭВ,
ρ=(10-6÷10+8) Ом∙м.
Определение: полупроводники – вещества, основным свойством которых является сильная зависимость электропроводности от воздействия внешних факторов (t°, электрические поля, света и др.)
Полупроводники являются самыми перспективными из ЭРМ.
Достоинства:
Свойствами п/п материалов можно управлять изменением структуры и состава.
Возможность создания тонких пленок совместимых с другими материалами.
Малое потребление энергии, габариты, вес, низкая чувствительность к механическим факторам, хорошие частотные характеристики.
Непосредственное преобразование тепловой, световой, ядерной энергии в электрическую
Легкость преобразования излучения одного спектрального диапазона в излучение другого спектрального диапазона.
Сырьё – в достаточном количестве, производство – экономически выгодно.
Производство и эксплуатация полупроводниковых приборов экологически чисты.
Классификация полупроводников.
П/п можно классифицировать по различным признакам.
А) По химическому составу:
Простые:
III группа: Ga-галлий, B-бор, In-индий;
IV группа: Ge, Si, С- углерод и его модификации;
V группа: P-фосфор, As-мышьяк – латинское название Arsenicum; Sb-сурьма - латинское название двойное: Stibium или Аntimonium;
VI группа: S-сера, Se-селен, Te-теллур;
VII группа: I- йод.
Бинарные – химические соединения типа An Bm , где А, В – химические элементы; n, m - № группы в таблице Менделеева.
Сложные химические соединения трех и более химических элементов.
Б) По количеству примесей:
Собственные, имеющие собственную проводимость за счет генерации электронно-дырочных пар.
Примесные, имеющие собственную проводимость за счет участия примесей в генерации электронно-дырочных пар.
Компенсированные: (одна примесь вводится для компенсации действия другой)
Вырожденные - по свойствам приближающиеся к металлам из-за высокой концентрации примесей.
Основные: Si, Ge, GaAs(арсенид галлия).
В настоящее время помимо кристаллических п/п материалов изучаются аморфные - стеклообразные и жидкие полупроводники.
Природа электропроводности полупроводников. Типы полупроводников.
Собственный
полупроводник – полупроводник, не
содержащий примесей влияющих на его
электропроводность. Собственная
проводимость ещё называется проводимостью
i–типа
(англ. intrinsic
– собственный)
Рисунок 1.
У
собственных полупроводников элементы
в зону проводимости могут поставляться
только из заполненной зоны (валентной).
Количество электронов зависит от
температуры. В валентной зоне образуется
соответствующее количество дырок. При
каждом акте возбуждения создается два
заряда противоположных знаков,
следовательно, общее число носителей
заряда в два раза больше числа электронов
в зоне проводимости
,
тогда
удельная проводимость
где: ξn, ξр – подвижности носителей заряда соответственно электронов и дырок
где:
Е – напряженность электрического поля,
υ – средняя скорость движения зарядов,
– средняя скорость теплового движения
свободных электронов (чем выше скорость,
тем чаще столкновения и меньше длина
свободного пробега)..
Для установившегося состояния при определенной температуре (динамическое равновесие между возбуждением и рекомбинацией) концентрация соответствующих носителей:
Nc , NB – число энергетических уровней в единице объема вещества в свободной и валентной зоне соответственно ( коэффициент “2” показывает, что на любом уровне может находиться по 2 электрона).
Так
как в большинстве случаев
то подвижность электронов больше
подвижности дырок, следовательно,
собственная проводимость имеет
преобладающий электронный характер.
Примесные проводники (n и p типа).
Роль примесей играют чужеродные атомы и дефекты решетки, если примесные атомы располагаются в узлах решетки, это примеси замещения, если между узлами решетки, то примеси внедрения.
Атомы примесей образуют дополнительные энергетические уровни внутри запрещенной зоны, вблизи зоны проводимости (в п/п n типа) или вблизи валентной зоны (в п/п p типа).
Атомы примесей находятся на значительном расстоянии друг от друга, следовательно, вероятность перехода электрона от одного атома примесей к другому ничтожна. Но они поставляют электроны в зону проводимости или принимают их из валентной зоны.
Рассмотрим пространственные структуры и конкретные типы примесей
Донорные примеси.
Основной материал –Ge(Германий), Si(Кремний)
– IV группа – на внешней орбите 4 электрона.
Примесь: As – Arsenicum ( мышьяк).
- V группа – на внешней орбите 5 электронов. Следовательно, лишний электрон участвует в токе проводимости (полупроводник n – типа)
Для полупроводников IV группы, примеси V группы Sb(Stibium, сурьма), As, у которых 5 электронов, являются донорами.
Примесь поставляет «лишние» валентные электроны в зону проводимости.
←---Е
Рис.2
Примесные уровни расположены у дна зоны проводимости. Положительные заряды, возникающие у примесных атомов, не могут гулять по кристаллу (т.е. участвовать в электропроводности) из-за их значительного отдаления. Полупроводники с такой примесью имеют концентрацию электронов в свободной зоне больше концентрации дырок в валентной зоне. Такие полупроводники называются полупроводниками n-типа, а примесь донором.
Акцепторные примеси.
In (Индий)– элемент III группы заимствует электрон у соседнего атома Ge и становится отрицательным ионом, неподвижно закрепленным в узле кристаллической решетки.
Примесь принимает электроны из валентной зоны.
←---Е
Рис.3
Дырка, образованная на месте захваченного электрона, начинает перемещаться вдоль вектора напряженности электрического поля. Получился полупроводник с проводимостью р-типа. А элементы III группы будут акцепторами.
Атомы примеси вблизи потолка валентной зоны. Электроны из валентной зоны захватываются на свободные примесные уровни, но ввиду разобщенности примесных атомов в создании электрического тока не участвуют. Здесь концентрация дырок больше концентрации электронов, следовательно, имеем дело с полупроводником р-типа, а примесь акцепторная.
В химических соединениях типа АIII BV, таких,как InSb – антимонид индия, GaSb – антимонид галлия, InAs – арсенид индия обычно примесные атомы II группы( Mg,Zn) являются акцепторными, а VI группы (Se, Te) –акцепторы. Элементы IV группы могут быть как донорами так и акцепторами в зависимости от того, какой атом замещается примесным атомом.
В обоих случаях энергия активации атомов примеси должна быть меньше ширины запрещенной зоны, следовательно, при нагревании переброс электронов примеси опережает возбуждение атомов решетки. (Рис.4) Примесная проводимость при нагревании всегда обнаружится раньше основной. Те носители заряда, концентрация которых больше, называются основными, которых меньше – неосновными
Рис.4