§ 25. Общие сведения и классификация полупроводников

Полупроводники по удельному сопротивлению (10^–6…10⁹ Ом·см при комнатной температуре) занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Полупроводники обладают рядом характерных только для них свойств, резко отличающихся от проводников:

– в большом интервале температур их удельное сопротивление уменьшается, т.е. они имеют отрицательный температурный коэффициент удельного сопротивления;

– при введении в полупроводник малого количества примесей их удельное сопротивление резко изменяется;

– полупроводники чувствительны к различного рода внешним воздействиям – свету, ядерному излучению, электрическому и магнитному полям, давлению и т.д.

Полупроводниковыми свойствами обладает целый ряд материалов – природных и синтетических, органических и неорганических, простых и сложных по химическому составу.

К простым полупроводникам относятся германий, кремний, селен, теллур, бор, углерод (в виде алмаза), фосфор, сера, сурьма, мышьяк, серое олово, йод.

Полупроводниками также являются сложные соединения различных элементов таблицы Д. И. Менделеева, соответствующие общим формулам:

двойные (бинарные) соединения: A^IB^VII; A^IB^VI; A^IB^V; A^IIB^VII; A^IIB^VI; A^IIB^VI; A^IIB^IV; A^IIIB^VI; A^IIIB^V; A^IVB^VI; A^IVB^IV; A^VB^VI; A^VIB^VI; A^VIIB^VI;

тройные соединения; твердые растворы и др.

К органическим полупроводникам относятся фталоцианин, актрацин, нафталин, коронел и др.

Собственные и примесные полупроводники. Как и в металлах, электрический ток в полупроводниках связан с дрейфом носителей заряда. Но если в металлах наличие свободных электронов обусловлено природой металлической связи, то появление носителей заряда в полупроводниках определяется рядом факторов, важнейшими из которых являются чистота материала и температура. В зависимости от степени чистоты полупроводники подразделяют на собственные и примесные.

Полупроводник, в котором в результате разрыва связей образуется равное количество свободных электронов и дырок, называется собственным.

Для большинства полупроводниковых приборов используются примесные полупроводники. Полупроводник, имеющий примеси, называется примесным, а проводимость, созданная введенной примесью, называется примесной проводимостью.

Если в полупроводник IV группы таблицы Менделеева ввести в качестве примеси мышьяк, то атому примеси для завершения ковалентных связей с атомами основного вещества необходимо четыре валентных электрона. Пятый электрон атома примеси в ковалентной связи не участвует. Он становится свободным.

Наряду с ионизацией примеси может происходить и ионизация атомов основного вещества. Но в области температур ниже той, при которой имеет место значительная собственная проводимость, число электронов, оторванных от примеси, значительно больше числа электронов и дырок, образовавшихся в результате разрыва ковалентных связей. Следовательно, преобладающее значение в проводимости кристалла имеют электроны, и поэтому они называются основными носителями заряда, а дырки – неосновными. Такой полупроводник называется электронным, или n-типа, а примесь, отдающая электроны, носит название донорной.

Если в полупроводник IV группы таблицы Менделеева ввести элемент III группы, например алюминий, то все три валентных электрона примесного атома будут участвовать в образовании ковалентных связей, одна из четырех связей с ближайшими атомами основного вещества окажется незавершенной. В незаполненную связь около атома алюминия может перейти электрон от соседнего атома основного вещества. При этом образуются отрицательный ион алюминия и свободная дырка, перемещающаяся по связям основного вещества и, следовательно, принимающая участие в проводимости кристалла.

Примесь, захватывающая электроны, называется акцепторной. Для образования свободной дырки за счет перехода электрона от атома основного вещества к атому примеси требуется значительно меньше энергии, чем для разрыва ковалентных связей кремния, Поэтому количество дырок может быть значительно больше количества свободных электронов и проводимость кристалла будет дырочной. В таком полупроводнике основными носителями заряда являются дырки, а неосновными – электроны.

Полупроводник с акцепторными примесями называется дырочным полупроводником или p-типа.

В полупроводниках могут одновременно содержаться донорная и акцепторная примеси. Такие полупроводники называются компенсированными.

К основным характеристикам полупроводниковых материалов относятся электрическое сопротивление, которое зависит от концентрации и подвижности носителей электрического тока, а также время жизни носителей электрического тока. Каждая из этих характеристик определяет свойства полупроводника и зависит от вида и количества примесей, а также наличия дефектов кристаллической структуры.

В полупроводнике одновременно с процессом возникновения «свободных» электронов и дырок идет обратный процесс рекомбинации: электроны из зоны проводимости вновь возвращаются в валентную зону, ликвидируя дырки. В результате концентрация носителей уменьшается. При данной температуре между этими двумя процессами устанавливается равновесие. Среднее время, в течение которого «живет» носитель до своей рекомбинации, называют временем жизни. Расстояние, которое успеет пройти за это время носитель, называют диффузионной длиной.