3. Полупроводниковые материалы

Это материалы, имеющие запрещенную зону. На их основе изготавливаются датчики различных видов энергий, выпрямители, триоды, тиристоры, интегральные микросхемы и множество других приборов и элементов.

Используются они, в основном, в твердом агрегатном состоянии, хотя имеются и жидкие полупроводники, например: Bi₂S, Cu₂S.

Ширина запрещенной зоны полупроводников имеет большой диапазон – от сотых долей электрон-вольта до 3 эВ. Удельные электрические сопротивления занимают более десяти порядков (10^-4...10⁸ Ом∙м)

Полупроводники относятся к неметаллам, а по химическому составу могут быть неорганическими – кремний, арсенид галлия, карбид кремния и органическими – антрацен, нафталин, фталоцианин меди и др.

3. 1. Особенности полупроводников

К ним относят:

1. Электрические параметры очень чувствительны к содержанию примесей (0,000001% примеси может изменить величину электропро-водности на один или два порядка).

2. Внешние воздействия (тепло, свет, давление, трение и др.) могут сильно изменять свойства материала. Поэтому полупроводники используются для изготовления датчиков всевозможных видов энергии: терморезисторы, фоторезисторы, тензорезисторы и др.

3. Полупроводники, в зависимости от определенных вводимых примесей, могут обладать электронной (n - типа) или дырочной (р - типа) электропроводностью. Это позволяет создавать электронно-дырочный переход (р - n переход), который обладает униполярной проводимостью и позволяет создавать выпрямители, усилители и другие активные элементы и приборы.

Некоторые параметры и свойства полупроводников представлены на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Свойства полупроводниковых материалов

3. 2. Электропроводность полупроводников

Различают собственную (γ_i) электропроводность, когда полупроводник не имеет примесей (рис. 3.2, а), примесную (γ_n) n - типа, когда в него введена донорная примесь (рис. 3.2,б); примесную (γ_p) р - типа, когда в полупроводник введена акцепторная примесь (рис. 3.2, в).

Электропроводность любого материала определяется формулой

γ = q∙N∙u, (3.1)

где N – количество носителей заряда, u – подвижность носителей заряда, q – заряд электрона.

На рис. 3.2. приведены энергетические диаграммы собственного полупроводника (а), полупроводника с донорной примесью (б) и с акцепторной примесью (в).

а) б) в)

Рис. 3.2. Энергетические диаграммы полупроводниковых материалов

3.2.1. Собственная проводимость (γi)

Она осуществляется двумя типами носителей – электронами (n), которые переходят из валентной заполненной зоны в зону проводимости (рис. 3.2.), оставляя свободное место (дырку) в валентной зоне, и дырками (р), которые, заполняясь ниже лежащими электронами валентной зоны, перемешаются в ней. Таким образом, в переносе зарядов участвуют и электроны и дырки, причем в равных количествах. Подвижность электронов (u_n) больше, чем подвижность дырок (u_p), так как электроны непосредственно переносят заряд, а дырки такой же заряд передают эстафетно, двигаясь в противоположную сторону движения электронов. Формула для собственной электропроводности γ_i полупроводников имеет вид:

γ_i = q∙n∙u_n + q∙p∙u_p . (3.2)

Электропроводность γ_i состоит из двух составляющих: электронной и дырочной; т.к. количество n = р, а u_n > u_p, собственная проводимость γ_i имеет преобладание электронной составляющей и носит электронный характер. Перепишем формулу

γ_i = q∙n_i∙(u_n + u_p), (3.3)

где n_i – концентрация собственных носителей заряда.