2.5. Полупроводниковые материалы

Полупроводниковые материалы – это вещества, которые по своей удельной электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками (металлами) и диэлектриками.

Несмотря на то, что удельная электронная электропроводность у полупроводниковых материалов значительно меньше, чем у металлов, подвижность носителей заряда полупроводников больше (так как электроны в полупроводниковых материалах могут двигаться более свободно, чем в металлах). Поэтому тепловыми, световыми, электрическими и механическими воздействиями можно управлять электропроводностью полупроводниковых структур.

К полупроводниковым материалам относятся большинство минералов, неметаллические элементы IV, V и VI групп периодической системы Менделеева, неорганические соединения (оксиды, сульфиды), некоторые сплавы металлов. Наибольшее применение получили элементы IV группы – Ge и Si, обладающие тетрагональной кристаллической решеткой типа алмаза. В вершинах тетраэдра расположены четыре атома, окружающие атом, находящийся в центре. Каждый атом связан с четырьмя ближайшими атомами силами ковалентной связи, поскольку все они обладают четырьмя внешними валентными электронами.

При температурах, близких к абсолютному нулю, в идеальном кристалле Si или Gе ковалентные связи полностью заполнены и все электроны связаны с атомами, вследствие чего электропроводность отсутствует. При нагревании или освещении кристалла происходит освобождение электронов от ковалентной связи, возникает электропроводность – переход электронов из валентной зоны в зону про­водимости. При этом на месте ушедшего электрона образуется неза­полненная связь (дырка), которая может быть занята электроном из какой-нибудь другой связи. Одновременно незаполненная связь (дырка) может перемещаться по крис­таллу.

С прекращением нагрева или светового воздействия электропроводность кристалла уменьшается, поскольку освободившиеся электроны размещаются в связях (происходит рекомбинация электронов и дырок). Этот процесс заканчивается в течение менее тысячных долей секунды, и кристалл вновь теряет электропроводность.

Минимальная энергия, необходимая для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости, характеризует величину энер­гетического интервала между этими зонами (или ширину запрещенной зоны).

Для разрыва ковалентных связей при весьма низких температурах необходимо количество энергии, равное 0,1922 КДж для Si и 0,1201 КДж – для Ge. Идеальные кристаллы с одинаковым количеством электронов и дырок имеют собственную электропроводность. Поскольку удельное сопро­тивление идеальных кристаллов зависит только от температуры, вели­чина его служит характеристикой полупроводниковых материалов и является собственным сопротивлением полупроводниковых материа­лов. Так, при 300 К ρ = 636 Ом ּ м – для Si, ρ = 0,470 Ом ּ м – для Ge. Идеальные кристаллы, не содержащие примесей, почти не встре­чаются. Примеси в кристаллах полупроводниковых материалов уве­личивают количество электронов или дырок. Так, при введении одного атома Sb в 1 см³ Ge или Si возникает один электрон, а одного атома В – одна дырка. Присутствие даже 10 ^–9 примесей изменяет электрические характеристики Ge (ρ = 0,15).

Примеси, обусловливающие возникновение электронной электропроводности в кристаллах, называют донорными. В Si и Ge донорными примесями являются элементы V группы: Sb, P, As, Bi. Примеси, вызывающие дырочную электропроводность, называют акцепторными. К акцепторным примесям в Ge и Si относятся элементы III группы: Ga, Tl, В, Al.

При равной концентрации донорных и акцепторных примесей в кристалле электропроводность обеспечивается (как и в чистом полупроводниковом материале) электронами и дырками вследствие разрыва валентных связей. Такие полупроводниковые материалы являются компенсированными.

Наибольшее значение получили сплавы Ge и Si в различных сочетаниях, поскольку при этом возникают смежные области с разными типами электропроводности (n-типа или р-типа), а граница этих областей п–р-переход (р–п или р–п–р и т. д.) является основой полупроводнико­вых приборов. Такие композиции можно получать лишь путем легирования полупроводниковых материалов высокой чистоты дозированным количеством соответствующих примесей (10 ^–5–10 ^–7 %).

Количество электричества, переносимого дырками или электронами, определяется не только концентрацией носителей, но и подвиж­ностью электронов и дырок.

Важнейшей характеристикой, определяющей качество Ge и Si как полупроводниковых материалов, является время жизни неосновных носителей заряда, которое должно быть максимальным.

Использование Ge и Si в полупроводниковых приборах (например, в солнечных батареях и инфракрасной оптике) связано с коэффициентом преломления, отражательной способностью и пропусканием света в широком диапазоне длин волн.

Кроме элементарных полупроводниковых материалов, находят применение полупроводниковые соединения, получаемые путем сплавления или химической обработки чистых элементов: СuО₂ (для полу­проводниковых выпрямителей), SbZn (для полупроводниковых термо­батарей), РbТе (для фотоэлектрических приборов и термоэлементов).