9. Полупроводники.

Полупроводники это вещества,электропроводность которых в сильной степени зависит от внешних воздействий температуры, освещения, ионизирующих излучений и т.п. Таким образом, электропроводность полупроводников является возбужденной.

Поведение полупроводников обычно описывают с позиций зонной теории твердого тела, в соответствии с которой полупроводники обладают зоной запрещенных значений энергии носителей заряда, лежащей между валентной зоной и зоной проводимости. Величала запрещенной зоны (Hg) является важнейшей характеристикой полупроводникового материала. Ока изменяется в пределах от 0,05 до 3,5 эВ. Это не значит, что при большей ширине запрещенной зоны нельзя возбудить проводимость. Просто внешнее воздействие должно быть более сильным. Taк, алмаз прекрасный диэлектрик при комнатной температуре (Hg =5,2эВ) приобретает заметную проводимость при высоких температурах и может считаться полупроводником. Это показывает условность деления веществ на полупроводники и диэлектрики. Носителями электрического заряда в полупроводниках являются электроны и дырки. Соответственно, полупроводник с электронной проводимостью называютn-типа (отnegative, отрицательный), а с дырочной проводимостью р-типа (отpositive, положительный). Важной характеристикой полупроводников является подвижность электроновUnи дырокUp, измеряемая в [см²/(Вс)].Unвсегда большеUp.

Рис. 9.1. Схемы энергетических зон: 1-собственного полупроводника, 2- полупроводника n-типа, 3- полупроводника p-типа.

В химически чистых, не содержащих примесей полупроводниках количество электронов и дырок одинаково (n=р ). Они называются собственными полупроводник. Полупроводники, содержащие примеси (реальные полупроводники) называют примесными. Примеси в полупроводниках принято делить на донорные и акцепторные. Донорные создают электронную проводимость, они являются поставщиками электронов. Акцепторные примеси создают дырочную проводимость, являются поставщиками дырок.

На зонной диаграмме (рис.9.1) энергетические уровни донорной и акцепторной примеси расположены в запрещенной зоне собственного полупроводника: донорной вблизи дна зоны проводимости, а акцепторной вблизи валентной зоны. Для ионизации примесей нужно затрачивать энергии меньше, чем для ионизации собственного полупроводника. Регулируя вид и количество примесей, можно создать в одном кристалле полупроводникового вещества области с различным типом проводимости. Контакт между такими областями получил название электронно-дырочного перехода или р-n-перехода. На границе р-n-перехода формируются объемные заряды противоположных знаков, образующие контактное электрическое поле. Благодаря этому р-n-переход обладает способностью выпрямлять переменный электрический ток, играть роль вентиля. Именно этим определяется применение примесных полупроводников в электронном приборостроении.

Заряд электронов и дырок одинаков. Проводимость реального полупроводник подчиняется общему уравнению электропроводимости:=е_о(nU_n+pU_p), где е_о- заряд электрона;U_nиU_p - подвижность электронов и дырок,nи р - их концентрация. Подвижность электронов и дырок уменьшается с ростом температуры: U=Т^-3/2.

Число носителей находится в экспоненциальной зависимости от температуры: n =А exp(E/kT), гдеE- энергия ионизации атомов;k- константа Больцмана; Т- температура, К; А - константа.

Структура реальных кристаллов. Атомы примесей могут замещать в кристаллической решетке атомы полупроводникового вещества или находиться в междоузлиях. Образующиеся дефектные структуры называются структурами замещения в первом случае и структурами внедрения во втором случае. Кристаллические структуры подобного типа следует относить к твердым растворам. Твердые растворы могут образовываться не только при введения в полупроводник атомовпримесей, но и при совместной кристаллизации двух(или более) веществ. Наибольшее значение имеют твердые растворы замещения. Они образуются в том случае, если значения электроотрицательности и атомные радиусы замещающих друг друга атомов близки. Чем меньше различия между замещающимися атомами, тем в более широкой области составов образуется структура твердого раствора.

Существуют и другие типы дефектных структур. Большое значение имеют структуры вычитания, наблюдающиеся в полупроводниковых соединениях. Они возникают при образовании вакансии в узле кристаллической решетки и обусловливают тот или иной тип проводимости. Вещества подобного типа называются нестехиометрическими соединениями или фазами переменного состава. Если в кристалле образовалась анионная вакансия, то проводимость будет электронной, если катионная вакансия, то проводимость будет дырочной. Таким образом, в нестехиометрических кристаллах вакансии играют роль примесных атомов. Следовательно, и без легирования можно получить чистейший полупроводник того или иного типа проводимости.