Электроника и электротехника Работа электрических машин и аппаратов Асинхронный двигатель Элементы зонной теории твердого тела Проводниковые материалы Полупроводниковые материалы

Полупроводниковые материалы

Полупроводники - группа веществ с электронной проводимостью, удельное сопротивление которых при нормальной температуре лежит между удельными сопротивлениями проводников и диэлектриков.

Удельное сопротивление различных проводников лежит в пределах 10 -6-10 -3, полупроводников - 10 -4-10 10, диэлектриков - 10 9-10 18 Ом . см.

Однако, количественная оценка электропроводности не является основным признаком, выделяющим полупроводники в особую группу веществ. Электропроводность полупроводников качественно отличается от электропроводности проводников.

Основные свойства полупроводников, резко отличающие их от проводников, следующие:

Отличные от проводников характер и степень зависимости электропроводности от температуры.

Сильное влияние ничтожных количеств примесей на электропроводность полупроводников.

Чувствительность электропроводности полупроводников к различного рода излучениям.

Особенности электропроводности полупроводников. Собственная проводимость

Как было установлено при рассмотрении основ зонной теории, зоны проводимости и валентные зоны в металлах соприкасаются или перекрываются. Поэтому, в процессе переноса тока в металлах участвуют все валентные электроны, число которых равно числу атомов в данном объеме металла, для металлов со степенью окисления +1, или больше - для металлов, степень окисления которых больше единицы. В полупроводниках, например в германии и кремнии, внешняя электронная оболочка атома образована четырьмя электронами: у кремния это 3s2 и 3p2, у германия - 4s2 и 4p2.

Каждый из электронов образует с четырьмя соседними атомами ковалентные связи, которые являются очень устойчивыми.

Как видно из рис.9 каждый из электронов принадлежит одному из соседних атомов. Такая пара электронов жестко связана со своей парой атомов и не может перемещаться в объеме полупроводника. Возвращаясь к зонной теории можно сказать, что в этом случае, валентная зона заполнена полностью, а зона проводимости свободна, т.е. в полупроводнике не должно быть свободных носителей заряда, и он должен быть хорошим изолятором.

Рис.9. Структура ковалентных связей в кристалле кремния.

Для полупроводника при температуре близкой к абсолютному нулю, так оно и есть. При повышении температуры, энергия теплового движения оказывается достаточной, для того чтобы некоторые электроны оторвались от атомов, т.е. перешли бы на более высокие энергетические уровни, которые есть, только в зоне проводимости.

Уход электрона от своего атома нарушает его нейтральность, однако считать его положительно заряженным ионом нельзя, т.к. ушедший электрон принадлежал двум атомам сразу. Появившийся положительный заряд удобнее относить не к атому, а к дефектной связи, оставленной электроном. Такой положительный заряд называется дыркой.

Дырка - это вакантное место, которое может быть занято одним из валентных электронов соседних связей в валентной зоне.

Переход валентного электрона соседних связей на образовавшуюся дефектную связь не требует больших энергий и осуществляется легко. В результате такого перехода, образуется новая дефектная связь в другом месте кристалла, а первая - перестает быть дефектной. Иными словами, дефектная связь или дырка будет двигаться по кристаллу. При наложении внешнего поля это движение станет направленным и по кристаллу потечет ток.

Следовательно, нарушение ковалентной связи, за счет внешнего энергетического воздействия, приводит к появлению в полупроводнике двух свободных носителей заряда: электрона и дырки.

Проводимость, возникающая в кристалле полупроводника за счет нарушения валентных связей называется собственной.

С повышением температуры количество генерируемых пар электрон-дырка будет возрастать, соответственно увеличится и электропроводность полупроводника. В то же время количество электронов, перешедших в зону проводимости и ставшими свободными, остается все же во много миллионов раз меньше числа атомов. Например, в германии при комнатной температуре количество свободных электронов составляет всего лишь 1 .10 -7% от числа атомов.

Таким образом число свободных носителей зарядов в полупроводниках во много раз меньше, чем в металлах. Этим объясняется количественное различие в электропроводности металлов и полупроводников.

В металлах свободные носители имеются в неизменном количестве при любой температуре. В полупроводнике свободные носители появляются только при условии сообщения энергии извне. В этом проявляется качественное отличие электропроводности полупроводников от электропроводности металлов.

Примесная электропроводность полупроводников. Доноры и акцепторы Характерной чертой полупроводников является их сильная чувствительность к примесям. Если в структуру идеального полупроводника ввести атом, относящийся к пятой группе периодической системы элементов, например сурьму или мышьяк, то четыре его электрона займут места в связях с соседними атомами полупроводника, а пятый - окажется как бы лишним.

Ширина запрещенной зоны и концентрация носителей

Электропроводность собственных  полупроводников При рассмотрении физики электропроводности было установлено, что удельная электропроводность металлов определяется концентрацией электронов проводимости и временем их релаксации. Электропроводность полупроводников будет определяться аналогично, с той только разницей, что в случае полупроводников необходимо принимать во внимание существование двух типов носителей - электронов и дырок.

Концентрация носителей в n полупроводниках

Практическое применение зависимостей, полученных при изложении физической природы проводимости полупроводников, рассмотрим на примере расчета удельного сопротивления донорного полупроводника.

Пример. В образце германия содержится nSb = 1 .10 -2 атомных процентов примесей сурьмы. Полагая, что при температуре 27 0C все атомы сурьмы ионизированы, вычислите концентрации электронов и дырок ne и np, а также удельное сопротивление германия при температуре 27 0C, считая что концентрация электронов определяется только донорными центрами, один кубический метр германия содержит N = 5 .10 28 атомов, подвижности электронов и дырок соответственно равны e=0,38 и p=0,18 рр м 2/(В .с), а концентрация носителей в собственном германии при тех же условиях составляет ni = 2,39 .10 19 м -3.

Получение, свойства и применение некоторых полупроводниковых материалов Германий. Природное сырье в результате химической переработки переводится в четыреххлористый германий - GeCl4, который дальнейшей переработкой переводится в двуокись - GeO2. Двуокись германия восстанавливается водородом до порошкового германия, который, после травления, сплавляется в слитки. Слитки помещаются в графитовые тигли и подвергаются очистке методом зонной плавки, а затем из расплава очищенного германия вытягивается монокристал.


Электричество и электромагнетизм