6.Классификация и параметры полупроводниковых материалов.

Полупроводники при комнатной температуре занимают по удельному сопротивлению , имеющему значения 10^-6 - 10⁹ Ом ^. м, промежуточное положение между металлами и диэлектриками. По ширине запрещенной зоны к полупроводникам относят вещества, ширина запрещенной зоны которых лежит в диапазоне 0.1 - 3.0 эВ.

Приведенные данные следует считать ориентировочными, так как они относятся к нормальным условиям, но могут сильно отличаться в зависимости от температуры.

Удельная проводимость полупроводников в сильной степени зависит от вида и количества содержащихся в них примесей и дефектов. Для них характерна чувствительность к свету, электрическому и магнитному полю, радиационному воздействию, давлению и др.

В полупроводниках часто наблюдается смешанный тип химических связей: ковалентно-металлический, ионно-металлический и др. К ним относятся многие химические элементы и химические соединения:

• - простые вещества: германий, кремний; селен, теллур, бор, углерод, фосфор, сера, сурьма, мышьяк и др.;

• - окислы и сульфиды многих металлов: NiO, Cu₂O, CuO, CdO, PbS и др.;

• - тройные соединения: CuSbSr, CuFeSe₂, PbBiSe₃ и др.;

• - твердые растворы GeSi, GaAs_1-x P_x и др.;

• - органические красители и другие материалы: анрацен, фталоцианин,нафталин и другие.

Полупроводники могут быть жидкими или твердыми, кристаллическими или аморфными.

Основные параметры полупроводников.

Из электрофизических параметров важнейшими являются: удельная электрическая проводимость (или величина обратная ей - удельное электрическое сопротивление), концентрация электронов и дырок, температурные коэффициенты удельного сопротивления, ширина запрещенной зоны, энергия активации примесей, работы выхода, коэффициента диффузии носителей заряда и другие. Для некоторых применений важны коэффициент термо-ЭДС и коэффициент термоэлектрического эффекта, коэффициент Холла и т.п.

К фундаментальным параметрам относятся плотность, постоянная кристаллической решетки, коэффициент теплопроводности,температура плавления и др.

Электри́ческая проводи́мость (электропроводность, проводимость) — это способность тела проводитьэлектрический ток, а также физическая величина, характеризующая эту способность и обратнаяэлектрическому сопротивлению. В СИ единицей измерения электрической проводимости являетсясименс (называемая также в некоторых странах Мо)^[1].

Удельной проводимостью называют меру способности вещества проводить электрический ток. Согласно закону Ома в линейном изотропномвеществе удельная проводимость является коэффициентом пропорциональности между плотностью возникающего тока и величиной электрического поля в среде:

где

•  — удельная проводимость,

•  — вектор плотности тока,

•  — вектор напряжённости электрического поля.

• Температу́рный коэффицие́нт электри́ческого сопротивле́ния — величина, равная относительному изменению электрического сопротивления участка электрической цепи или удельного сопротивления вещества при изменении температуры на единицу.

• 

• Температурный коэффициент сопротивления характеризует зависимость электрического сопротивления от температуры и измеряется вкельвинах в минус первой степени (K⁻¹).

Ширина запрещённой зоны — это ширина энергетического зазора между дном зоны проводимости и потолком валентной зоны, в котором отсутствуют разрешённые состояния для электрона.

Энергия активации в физике — минимальное количество энергии, которое должны получить электроны донорной примеси, для того чтобы попасть в зону проводимости.

Диффузия носителей заряда

Если по какой-то причине концентрация n носителей заряда в полупроводнике неоднородна, то возникает градиент концентрации носителей:

, м^-4,

где   - векторный оператор (набла); i, j, k – единичные векторы вдоль направлений осей x, y, z декартовой системы координат.

Наличие градиента концентрации приводит к диффузии- движению носителей заряда из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией, приводящее к выравниванию концентрации носителей заряда по полупроводнику.

Диффузия не связана с электрическим зарядом свободных носителей. Она наблюдается и для нейтральных частиц, например, молекул газа или атомов в твердых телах при нагреве их до достаточно высокой температуры.

Эффект Холла.

    Одной из характеристик металла, не зависящей от времени релаксации  , является коэффициент Холла. (См. схему эксперимента по исследованию эфекта Холла , например, в ААК). К проводнику, расположенному, например, вдоль оси х, приложено эл. поле Е_х, вызывающее эл. ток j_x, а вдоль оси z - магнитное поле Н, отклоняющее электроны в отрицательном направлении y за счет силы Лоренца F_L=-e/c[vH].     Скапливаясь на границе проводника в направлении y электроны будут создавать электрическое поле, противодействующее накапливанию заряда. В равновесии это поле должно скомпенсировать силу Лоренца, поэтому

-neEy = jxH/c или Ey = RH jxH, (1.)

(1.12)

где

RH = Ey / Hjx = - 1/nec.

(1.13)

Т.е., коэффициент Холла должен быть отрицательным и не зависеть от каких-либо параметров, за исключением концентрации носителей.