Полупроводники и их свойства кратко: works.doklad.ru — Учебные материалы

Содержание

полупроводники — это… Что такое полупроводники?

ПОЛУПРОВОДНИКИ́ -о́в; мн. (ед. полупроводни́к, -а́; м.). Физ. Вещества, которые по электропроводности занимают промежуточное место между проводниками и изоляторами. Свойства полупроводников. Производство полупроводников. // Электрические приборы и устройства, изготовленные из таких веществ. Радиоприёмник на полупроводниках.

Полупроводнико́вый, -ая, -ое. П-ое вещество. П-ое производство. П-ая электроника. П-ые свойства веществ. П-ые материалы. П-ые приборы, установки.

ПОЛУПРОВОДНИКИ́, вещества, электропроводность которых при комнатной температуре имеет промежуточное значение между электропроводностью металлов (106 — 104 Ом-1 см-1) и диэлектриков (10-8 — 10-12 Ом-1 см-1), обусловлена переносом электронов и возрастает при повышении температуры.
Наиболее существенная особенность полупроводников — способность изменять свои свойства в чрезвычайно широких пределах под влиянием различных воздействий (температуры, освещения, электрического и магнитного поля, внешнего гидростатического давления). В результате таких воздействий характеристики полупроводника могут сильно изменяться, (например, электропроводность может меняться в 106-107 раз). Именно эта способность изменять свойства под влиянием внешних воздействий и обусловила широкое применение полупроводников. На основе различных полупроводниковых материалов (см. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ) разработано и создано огромное количество разнообразных полупроводниковых приборов (см. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ).
Физические свойства полупроводников получили свое объяснение на основе зонной теории (см. ЗОННАЯ ТЕОРИЯ), которая позволяет сформулировать критерий, разделяющий твердые вещества на два класса — металлы и полупроводники (диэлектрики).
В металлах валентная зона (см. ВАЛЕНТНАЯ ЗОНА) заполнена полностью или перекрывается с зоной проводимости (см. ПРОВОДИМОСТИ ЗОНА). В полупроводниках и диэлектриках зона проводимости отделена от валентной зоны запрещенной зоной (см. ЗАПРЕЩЕННАЯ ЗОНА), и не содержит носителей. Деление неметаллических веществ на полупроводники и изоляторы (диэлектрики) является чисто условным. Ранее к изоляторам относили вещества с величиной запрещенной зоны Eg >2—3 эВ. Однако многие из таких кристаллов являются типичными полупроводниками.
Проводимость в полупроводниках
Электрический ток в полупроводниках связан с дрейфом носителей заряда (см. дрейф заряженных частиц (см. ДРЕЙФ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ)). В полупроводниках появление носителей заряда определяется рядом факторов, важнейшими из которых являются химическая чистота материала и температура. В зависимости от чистоты полупроводники подразделяют на собственные и примесные.
В собственном полупроводнике можно пренебречь влиянием примесей при данной температуре. Так как в полупроводниках запрещенная зона не очень широкая, в собственном полупроводнике при температуре абсолютного нуля валентная зона полностью заполнена электронами, а зона проводимости абсолютно свободна: он не обладает электропроводностью и ведет себя подобно идеальному диэлектрику. При температурах, отличных от абсолютного нуля, имеется конечная вероятность того, что некоторые из электронов за счет тепловых флуктуаций (неравномерного распределения тепловой энергии между частицами) преодолеют потенциальный барьер и окажутся в зоне проводимости. Вероятность перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости зависит от температуры и ширины запрещенной зоны( Eg), ПОЛУПРОВОДНИКИ-Eg/kT.
В собственном полупроводнике каждый переход электрона в зону проводимости сопровождается образованием дырки (см. ДЫРКА) в валентной зоне. Благодаря дыркам электроны валентной зоны также принимают участие в процессе электропроводности за счет эстафетных переходов под действием электрического поля на более высокие освободившиеся энергетические уровни. Совокупное поведение электронов валентной зоны можно представить как движение дырок, обладающих положительным зарядом и некоторой эффективной массой (см. ЭФФЕКТИВНАЯ МАССА). Чем выше температура и меньше ширина запрещенной зоны, тем выше скорость тепловой генерации носителей заряда (электронов и дырок). Одновременно с генерацией в полупроводнике непрерывно идет и обратный процесс, процесс рекомбинации (
см.
РЕКОМБИНАЦИЯ в физике) носителей заряда, т.е. возвращение электронов в валентную зону с исчезновением пары носителей заряда. В результате протекания двух конкурирующих процессов в полупроводнике при любой температуре устанавливается некоторая равновесная концентрация электронов no и дырок po, которые равны друг другу в собственном полупроводнике (равновесная концентрация электронов ni = равновесной концентрации дырок pi) . (Индекс i происходит от англ. intrinsic — собственный).
В собственных полупроводниках наблюдается электронно-дырочный механизм проводимости.
Электрофизические свойства примесного полупроводника определяются в первую очередь типом и концентрацией примеси, которая создает дополнительные уровни в запрещенной зоне полупроводника. При малой концентрации примесей расстояние между примесными атомами велико, их электронные оболочки не взаимодействуют друг с другом. Поэтому примесные энергетические уровни являются дискретными, т. е. не расщепляются в зону, как это имеет место для уровней основных атомов кристаллической решетки. Роль дискретных уровней могут играть и всевозможные дефекты структуры, в первую очередь, вакансии и междоузельные атомы. Примеси могут либо поставлять электроны в зону проводимости полупроводника, либо принимать их с уровней его валентной зоны. Примеси, являющиеся источником электронов, называются донорами (
см.
ДОНОР (в физике)), а энергетические уровни этих примесей — донорными уровнями. Основными носителями тока в таких полупроводниках являются электроны, возникает электронная проводимость (проводимость n -типа). Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника, называются акцепторами (см. АКЦЕПТОР), а энергетические уровни этих примесей — акцепторными уровнями. Основные носители заряда в таких полупроводниках — дырки. В них наблюдается дырочная проводимость (проводимость p -типа).
В полупроводниках всегда присутствуют оба типа носителей заряда. Основными называют носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике больше, неосновными — носители заряда, концентрация которых меньше. В полупроводнике n — типа основные носители заряда — электроны, неосновные — дырки, в полупроводнике p-типа дырки — основные, а электроны — неосновные.
Если в полупроводнике n — типа увеличить концентрацию доноров, то возрастет число электронов, переходящих в единицу времени с примесных уровней в зону проводимости. Соответственно возрастет скорость рекомбинации носителей заряда и уменьшится равновесная концентрация дырок. При помощи соотношения:
no. po = n2
i

называемого соотношением действующих масс для носителей заряда всегда можно, найти концентрацию неосновных носителей заряда, если известна концентрация основных. Характерная особенность полупроводников — рост электропроводности с увеличением температуры — обусловлена ростом концентрации носителей при увеличении температуры.
Механизмы рассеяния и подвижность носителей заряда в полупроводниках
Под действием внешнего электрического поля носители заряда приобретают некоторую скорость направленного движения (скорость дрейфа) и создают электрический ток. Подвижность носителей заряда (см. ПОДВИЖНОСТЬ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА), равная средней скорости носителей заряда в полупроводнике в электрическом поле с напряженностью 1В/см, зависит от длины их свободного пробега, а, следовательно, определяется процессами рассеяния (см. РАССЕЯНИЕ МИКРОЧАСТИЦ) движущихся в полупроводнике электронов.
Процесс рассеяния представляет собой искривление траектории движения носителя заряда под влиянием сил, действующих на электрон или дырку со стороны рассеивающего центра.
Если таким центром является положительный ион, то рассеивающей силой будет кулоновский потенциал, если рассеивающим центром является нейтральный атом примеси, рассеиваемый электрон, сталкиваясь с ним, выбивает электрон, принадлежащий атому, рассеиваемый электрон остается в атоме, а выбитый, получив энергию, движется по измененной траектории. Так как электроны неразличимы, акт обмена электронами рассматривается как акт изменения траектории электрона, т. е. рассеяние. Характерной особенностью рассеяния на нейтральных атомах является независимость времени релаксации от энергии рассеиваемых носителей заряда и температуры. Процесс рассеяния электронов на тепловых колебаниях решетки рассматривается как столкновение с фононом (см. ФОНОН). Поскольку число фононов определяется температурой, то и рассеяние носителей заряда зависит от температуры. Рассеивающими центрами при движении электрона являются также структурные дефекты (
см.
ДЕФЕКТЫ) кристаллической решетки — дислокации (см. ДИСЛОКАЦИИ), вакансии, имеет место также электрон-электронное рассеяние.
В реальных полупроводниках действуют одновременно несколько механизмов рассеяния, причем вклад каждого из них может сильно меняться с изменением температуры и концентрации примеси.
Механизмы рекомбинации в полупроводниках
Закон действующих масс для носителей заряда применим только к равновесным процессам. Генерация носителей заряда в полупроводниках может осуществляться не только за счет теплового воздействия но и при облучении светом, при воздействии электрического поля, при инжекции (см. ИНЖЕКЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА) через контакт и т. д. В результате таких воздействий в полупроводнике появляются дополнительные, неравновесные носители заряда. Их концентрация является избыточной по отношению к равновесной и после прекращения нетеплового возбуждения полупроводник возвращается в равновесное состояние, при этом избыточная концентрация носителей заряда за счет процесса рекомбинации спадает до нуля.
Принцип действия почти всех электронных приборов основан на явлении инжекции неравновесных носителей при воздействии на кристалл внешних сил (световое, электромагнитное излучение радиочастотного диапазона, облучение ядерными частицами и т. д.). Поэтому скорость рекомбинации определяет быстродействие прибора. Чем больше скорость рекомбинации, тем на более высоких частотах будет работать прибор.
Скорость рекомбинации характеризуется временем жизни носителей заряда — характеристическим временем, по истечении которого избыточная концентрация носителей заряда при линейной рекомбинации уменьшается в е раз. Т. е. характеризует среднее время существования избыточной концентрации и зависит от вида и механизма рекомбинации, состава полупроводника, температуры.
Существует два вида рекомбинации: зона — зона, при котором избыточные электроны из зоны проводимости непосредственно переходят в валентную зону, и рекомбинация через глубокие уровни в запрещенной зоне полупроводника.
При рекомбинации происходит отдача энергии, полученной при генерации. Механизмы рекомбинации классифицируют по способу отдачи энергии, выделяющейся при акте захвата носителей при рекомбинации.
Наиболее вероятные механизмы рекомбинации в полупроводниках:
— излучательная рекомбинация, при которой энергия выделяется в виде кванта электромагнитного излучения;
— фононная рекомбинация, связанная с непосредственной передачей выделяющейся энергии колебаниям атомной решетки:
— ударная рекомбинация (эффект Оже (см. ИОНИЗАЦИЯ)), когда энергия сначала передается ближайшему свободному электрону (или дырке), который затем отдает свою избыточную энергию либо колебаниям атомов решетки, либо другим носителям.
Все три механизма могут осуществляться как при рекомбинации зона-зона, так и при рекомбинации через локальные центры.
Оптические явления в полупроводниках
При воздействии на полупроводник светом могут быть реализованы следующие типы взаимодействия квантов света с носителями заряда: собственное поглощение, экситонное поглощение, поглощение на свободных носителях, примесное поглощение.
В случае собственного поглощения происходит взаимодействие фотонов с электронами в валентной зоне, т. е. с собственными электронами атомов, составляющих кристаллическую решетку, Фотоны определенной энергии способны отдать свою энергию этим электронам, оторвать их от атомов и перевести электроны на более высокие энергетические уровни. В этом случае фотоны поглощаются в кристалле. При собственном поглощении переходы могут быть прямые, когда волновой вектор электрона остается неизменным, и электрон и оставляемая им дырка имеют одинаковые квазиимпульсы. Возможны также непрямые переходы с участием фононов, которым передается избыточный импульс. По краю собственного поглощения можно определить ширину запрещенной зоны полупроводника.
В некоторых полупроводниках наблюдается экситонное поглощение. При поглощении фотонов образуются экситоны (см. ЭКСИТОН), которые могут блуждать по кристаллу. При столкновении с примесными центрами экситон может либо распасться и образовать электрон и дырку, либо рекомбинировать и перевести атом в невозбужденное состояние. В первом случае экситону необходима тепловая энергия, во втором — либо происходит излучение кванта энергии, либо энергия экситона переходит решетке полупроводника в виде теплоты.
Поглощение на свободных носителях имеет место, когда фотоны реагируют со свободными носителями заряда в разрешенных зонах. При этом энергия фотонов расходуется на перевод носителей заряда на более высокие уровни. Под действием электрического поля световой волны носители заряда совершают колебательные движения синхронно с полем и при столкновении с узлами решетки отдают накопленную энергию.
В случае примесного поглощения света фотоны взаимодействуют с примесными атомами, ионизируя или возбуждая их. Взаимодействие фотонов с примесными атомами носит резонансный характер.
В полупроводниковых кристаллах также имеет место поглощение света кристаллической решеткой. Оно проявляется в далекой ИК-области спектра и накладывается на другие виды поглощения.
В случае примесного и собственного оптического поглощения происходит генерация неравновесных носителей заряда, которая сопровождается изменением электрических свойств полупроводника при освещении — наблюдается эффект фотопроводимости (см. ФОТОПРОВОДИМОСТЬ), используемый для создания широкого класса приборов. К неравновесным оптическим явлениям, характерным для полупроводниковых кристаллов и нашедших широкое применение в полупроводниковом приборостроении относится люминесценция (см. ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ).
Сильно легированные полупроводники
При больших концентрациях примесей или дефектов проявляется их взаимодействие, ведущее к качественным изменениям свойств полупроводников. Это можно наблюдать в сильно легированных полупроводниках, когда что среднее расстояние между атомами примеси становится меньше (или порядка) среднего расстояния а, на котором находится от примеси захваченный ею электрон или дырка. В таких условиях носитель вообще не может локализоваться на каком-либо центре, т. к. он все время находится на сравнимом расстоянии сразу от нескольких одинаковых примесей. Более того, воздействие примесей на движение электронов вообще мало, т. к. большое число носителей со знаком заряда, противоположным заряду примесных ионов, экранируют (т. е. существенно ослабляют) электрическое поле этих ионов. В результате все носители, вводимые с этими примесями, оказываются свободными даже при самых низких температурах.
Полупроводники в сильном электрическом поле
Сильное электрическое поле влияет на подвижность и концентрацию носителей заряда. Существуют несколько механизмов увеличения концентрации носителей в сильном электрическом поле. Основными механизмами являются три: термоэлектрическая (термополевая) ионизация (эффект Френкеля), электростатическая ионизация (туннельный эффект (см. ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ)) и ударная ионизация (см. УДАРНАЯ ИОНИЗАЦИЯ).
Механизм термополевой ионизации реализуется при низких температурах, когда концентрация электронов в зоне проводимости определяется вероятностью их освобождения с донорных уровней. На электрон, находящийся на донорном уровне, в электрическом поле помимо силы кулоновского притяжения к иону-донору действует сила F=-qE, способная помочь электрону оторваться от донора и стать свободным. Т. е. повышается вероятность перехода электронов с донорных уровней в зону проводимости, что и означает увеличение концентрации носителей и возрастание электропроводности.
При более высоких температурах, когда донорная примесь ионизирована полностью, главную роль в увеличении концентрации носителей играют явления, связанные с ударной и электростатической (туннельной) ионизацией решетки кристалла в полях большой напряженности.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ | Техника и Программы

В электротехнике все вещества разделяются по их способности пропускать электрический ток на три группы: проводники, полупроводники и изоляторы.

Проводники — это вещества, которые хорошо проводят электрический ток, т. е. оказывают ему малое сопротивление. К ним относятся металлы и их сплавы, поэтому металлы и применяют в электрических цепях для передачи тока.

Изоляторами называются вещества, которые оказывают прохождению тока очень большое сопротивление. Чем больше сопротивление, тем выше качество изолятора. К изоляторам относятся такие вещества, как воздух, резина, слюда, стекло, эбонит, фарфор и т. д.

Полупроводники занимают промежуточное положение, т. е. они проводят ток хуже, чем проводники, но лучше, чем изоляторы. К полупроводникам относится 80% всех компонентов земной коры: большинство минералов, окислы и т. д. В полупроводниковых диодах, триодах и других радиотехнических устройствах используются в основном два полупроводника: германий и кремний.

Если вырезать из различных материалов брусок, имеющий площадь поперечного сечения 1 см2 и длину 1 х, то его сопротивление будет: для проводника от 0,01 до 0,001 ом\ для изолятора от 1012 ом и выше; для полупроводника от 1 000 до 1012 ом.

Чтобы разобраться в явлениях, происходящих в полупроводниковых приборах, рассмотрим кратко и, конечно, упрощенно строение атома вещества и физику прохождения тока через вещества.

Каждый атом любого вещества состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого по замкнутым орбитам с громадными скоростями вращаются отрицательно заряженные электроны. Для каждого элемента характерно свое расположение электронов вокруг ядра.

Самый простой по устройству — атом водорода. Его электронная оболочка имеет всего один электрон. Атом углерода, например, имеет 6 электронов, кислорода — 8, германия — 32, урана — 92.

Электроны вращаются на разных расстояниях от ядра и их орбиты составляют как бы ряд вставленных одна в другую оболочек, причем в каждом ряду может находиться вполне определенное число электронов. Поскольку ядро и электроны имеют заряды разных знаков, то ядро удерживает около себя электроны силой электростатического притяжения. При этом чем дальше электрон находится от ядра, тем слабее сила притяжения между ним и ядром.

Основное отличие атомов металлов от атомов полупроводников состоит в том, что электроны на внешних орбитах металла очень слабо связаны с ядром. Поэтому в металле всегда имеется большое число электронов, оторвавшихся от своих ядер. Эти электроны называются свободными электронами, или электронным газом. При этом атомы, потерявшие электрон или несколько электронов, оказываются заряженными положительно, а атомы, присоединившие к себе свободные электроны,— отрицательно.

В полупроводниках и изоляторах благодаря сильной связи электронов атома с ядром нет свободных электронов, которые могли бы перемещаться в определенном направлении, создавая электрический ток.

В абсолютно чистом полупроводнике при очень низких температурах электроны прочно Удерживаются на своих орбитах, свободных электронов, способных создавать электрический ток, нет. Поэтому в этих условиях полупроводник совершенно не проводит электрического тока и является изолятором.

При повышении температуры благодаря тепловому движению некоторые электроны могут вырваться о внешних оболочек и перемещаться внутри полупроводника. Чем выше температура, тем больше количество освобожденных электронов, способных перемещаться в полупроводнике, тем больше проводимость и меньше сопротивление полупроводника. Проводимость, обусловленная наличием свободных электронов, называется электронной проводимостью.

В электронных оболочках атомов, потерявших электроны, остается как бы пустое место. Это освободившееся место назвали условно «дыркой», которая имеет положительный заряд.

Дырка может быть занята каким-либо электроном, вырванным из оболочки другого атома. При этом этот электрон, в свою очередь, оставляет в том атоме, из которого он вырван, дырку. Пока нет внешнего электрического поля, переходы электронов от одного атома к другому, а следовательно и движение дырок совершаются беспорядочно.

Если же к полупроводнику приложить электрическое напряжение, то переход от одного атома к другому будет происходить направленно: электронов — к положительному полюсу напряжения, положительных дырок— к минусу. Хорошей иллюстрацией картины таких перемещений может служить перемещение солдат в строю (рис. 56), при этом движение дырки подобно заполнению пустого места в строю. Таким образом, в полупроводнике электрический ток создается не только свободными электронами, но и перемещением положительных зарядов — дырок, т, е, имеется и дырочная проводимость.

Совершенно очевидно, что в рассмотренном примере, т. е. в химически чистом полупроводнике, количество вырванных электронов равно количеству дырок. При этом электропроводимость полупроводника, которая называется собственной, невелика.

Рис. 56. Движение «дырки» подобно перемещению пустого места в строю солдат

Проводимость полупроводника можно значительно улучшить путем добавления в него специально подобранных примесей. Если атом примеси имеет большее число электронов, чем нужно для образования связей с атомами полупроводника, то в полупроводнике по-, явятся свободные электроны. В результате в полупроводнике будет преобладать электронная проводимость, или проводимость типа п (от слова «negative», т. е. отрицательный).

Если же атомы примеси имеют меньшее количество электронов, чем это нужно для образования связей с окружающими его атомами полупроводника, то атомы

примеси легко захватывают электроны от соседних атомов, что приводит к образованию большого количества дырок. Полупроводник в этом случае имеет дырочную проводимость, или проводимость типа р (от слова «positive», т. е. положительный).

Любой полупроводник по желанию путем добавления в него тех или иных примесей можно сделать полупроводником типа п или р. Вводя примеси, можно даже в смежных участках одного и того же полупроводника получить электропроводимости разного типа. Интересно отметить, что для получения необходимой для использования в радиотехнике приборов величины электропроводимости достаточно на 10 миллионов атомов основного вещества добавить один атом примеси.

В заключение отметим одно из существенных отличий полупроводников от проводников. У проводников сопротивление с повышением температуры возрастает, а у полупроводников уменьшается,

Электрические свойства полупроводников — Справочник химика 21

    Самую большую и разнообразную группу составляют полупроводники, т. е. вещества со значениями электропроводности в интервале примерно от Ю» до 10 ом -см . К ним относятся многие простые тела (германий, кремний, бор, иод), сплавы (например, сплав цинка с сурьмой), различные неорганические соединения (окислы, сульфиды) и довольно большое число органических веществ (сложные ароматические соединения, белки, ряд синтетических полимеров). Однако особенности электрических свойств полупроводников не ограничиваются только величинами электропроводности. Одним из наиболее существенных отличий полупроводника от металла является характер зависимости электропроводности от температуры. В то время как сопротивле- [c.274]
    При повышении температуры проводимость полупроводников в отличие от металлов обычно возрастает (см. 2). Электропроводность диэлектриков тоже возрастает. При температуре, близкой к абсолютному нулю, проводимость полупроводников и диэлектриков практически нулевая. По электрическим свойствам полупроводники стоят ближе к диэлектрикам, чем к металлам, от которых они имеют принципиальное качественное отличие. [c.232]

    Зависимость электрических свойств полупроводников от температуры и освещенности объясняется электронным строением их кристаллов. Здесь, как и у изоляторов, валентная зона отделена от зоны проводимости запрещенной зоной (рис. 33.1, полупроводник). Однако ширина запрещенной зоны АЕ в случае полупроводников невелика. Поэтому при действии квантов лучистой энергии или при нагревании электроны, занимающие верхние уровни валентной зоны, могут переходить в зону проводимости и участвовать в переносе электрического тока. С повышением температуры или увеличении освещенности число электронов, [c.635]

    На рис. 97 приведена простая (стандартная или параболическая) структура зон. Она часто используется при качественном рассмотрении электрических свойств полупроводников. Характеризуется эта модель тем, что обе зоны имеют невырожденные экстремумы в центре приведенной зоны Бриллюэна, т. е. в точке [c.235]

    Основные электрические свойства полупроводников определяются примесями, содержащимися в пределах 10 %. Очистка этих материалов от примесей или введение в них заданного количества примесей встречает серьезные технологические трудности. [c.25]

    Так как примеси влияют на электрические свойства полупроводников, к чистоте полупроводниковых материалов и к регулярности их кристаллической структуры предъявляются высокие требования. [c.287]

    Электрические свойства полупроводников и диэлектриков во многом определяются степенью заполнения электронами валентной зоны и шириной запрещенной зоны между верхней границей валентной зоны и нижней границей зоны проводимости. Любой процесс, происходящий с электронами, сводится к изменению их состояний. Но если в пределах зоны все состояния заполнены, то в этой зоне невозможны никакие изменения скорости, энергии, направления спина. Поэтому электроны целиком заполненной валентной зоны не могут участвовать в переносе электрических зарядов, оставаясь в этой зоне. Для металлов характерно, что валентная зона заполнена частично, у диэлектриков и полупроводников при Т — О все электроны находятся в валентной зоне, а при Г > О электроны частично заполняют зону проводимости. [c.42]


    Вводя в один и тот же кристалл полупроводника примеси различного характера, можно, изменяя характер проводимости, создавать различные электронные схемы (диоды, триоды, тетроды и т. д.). Влияние примесей на электрические свойства полупроводников и объясняет те высокие требования, которые предъявляются к чистоте полупроводниковых материалов и к их кристаллической структуре, которая должна обладать наименьшей концентрацией несовершенств (дислокации, блоки, вакансии). [c.448]

    Становление науки о полупроводниках обязано не только химическим методам получения и очистки веществ, но также использованию химических представлений и химической теории. В частности, поведение электронов и дырок в полупроводниках (см, рис. 10.22) подчиняется закону действия масс и законам химического равновесия. Подобно тому как концентрация реагентов влияет на скорость химической реакции, концентрация электронов и дырок влияет на проводимость и другие электрические свойства полупроводников. Это позволяет предсказывать электрические свойства полупроводников и связывать их со степенью чистоты полупроводниковых веществ путем применения основных химических представлений и законов. [c.400]

    Свойства и применение (см. также табл. 26). Хрупкий с серебряным блеском металл. По электрическим свойствам — полупроводник. Па воздухе [c.331]

    ЛИЧИНЫ контактной разности потенциалов, которая дает значение разности работ выхода исследуемого полупроводника и электрода сравнения и определяется так называемым методом вибрирующего конденсатора. Корреляция между изменением работы выхода в результате введения добавок и активностью катализатора в исследуемой реакции может дать сведения о путях улучшения свойств данного катализатора. То обстоятельство, что одни и те же факторы могут влиять как на каталитическую активность, так и на оптические и электрические свойства полупроводника, позволяет связывать каталитические исследования с измерением красной границы внешнего фотоэффекта полупроводника. [c.35]

    Глава 21. Электрические свойства полупроводников [c.4]

    ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ [c.341]

    Измерение электрических свойств полупроводников [c.174]

    При высоких температурах (выше 300°) реакция очень чувствительна к дефектам в решетке (Парравано, Шваб), и ее следует связывать с электрическими свойствами полупроводника [101]. [c.143]

    Электрические свойства полупроводников [c.72]

    Влияние примесей на электрические свойства полупроводников и объясняет те высокие требования, которые предъявляются к чистоте полупроводниковых материалов и к их кристаллической структуре, которая должна обладать наименьшее концентрацией несовершенств (дислокации, блоки, вакансии). [c.434]

    На электрические свойства полупроводников влияют не только посторонние примеси, но и всякие изменения и нарушения в структуре их кристаллических решеток. [c.250]

    Электрические свойства полупроводников и диэлектриков во многом определяются степенью заполнения электронами валентной зоны и шириной запрещенной зоны АЕ между верхней границей валентной зоны и нижней границей зоны проводимости (рис. 7). Любой процесс, происходящий с электронами, сво-// ///Ш.//и/, дится к изменению их состояний. Но если в пределах зоны все состояния заполнены, [c.22]

    Зависимость электрических свойств полупроводников от температуры и освещенности объясняется электронным строением их кристаллов. Здесь, как и у изоляторов, валентная зона отделена от зоны проводимости запрещенной зоной (рис. 139, полупроводник). Однако ширина запрещенной зоны А в случае полупроводников невелика. Поэтому при действии квантов лучистой энергии или [c.529]

    Зависимость электрических свойств полупроводников от температуры и освещенности объясняется электронным строением их кристаллов. Здесь, как и у изоляторов, валентная зона отделена от зоны проводимости запрещенной зоной (рис. 138, полупроводник). Однако ширина запрещенной зоны IS.E в случае полупроводников невелика. Поэтому при действии квантов лучистой энергии или при нагревании электроны, занимающие верхние уровни валентной зоны, могут переходить в зону проводимости и участвовать в переносе электрического тока. С повышением температуры или при увеличении освещенности число электронов, переходящих в зону проводимости, возрастает в соответствии с этим увеличивается и электропроводность полупроводника. [c.535]

    Влияние локальных искажений кристаллической решетки на электрические свойства полупроводников зонная теория объясняет появлением новых разрешенных энергетических уровней в запрещенной зоне, положение которых определяется как природой решетки, так и природой дефектов. [c.158]

    В табл. 33 приводятся некоторые физико-химические и электрические свойства полупроводников типа А2В3 с дефектной тетраэдрической структурой (для наиболее изученных модификаций). [c.149]


    Так как германий, а в последние годы и кремний, нашли очень широкое применение в радиоэлектронике, то сейчас имеется большое число работ в периодических изданиях, посвященных получению этих веществ в чистом состоянии, исследованию их полупроводниковых свойств и т. д. Вышли из печати специальные сборники, посвященные этим полупроводникам [37—42], в которых сообщаются данные об электрических, термоэлектрических, гальваномагнитных, оптических и других свойствах элементов — полупроводников. Поэтому ниже мы приведем только сведения об основных физико-химических и электрических свойствах полупроводников этой группы. Вопросы получения и очистки будут затронуты очень кратко. [c.57]

    Серое олово не нашло практического применения. Но его исследования имели большое научное значение, так как впервые продемонстрировали связь электрических свойств полупроводников с их химической природой — положением в периодической системе, кристаллической структурой и типом связи. Впервые оказалось возможным делать прогнозы в отношении электрических свойств еще неизученных веществ. Это, несомненно, имело большое значение для дальнейшего развития как химии, так и физики полупроводников. [c.80]

    Электрические свойства полупроводников резко меняются в зависимости от условий внешней среды. Влажность окружаю-ш,его воздуха, давление, изменение температуры — все это строго закономерно изменяет сопротивление полупроводника, а измерение сопротивления — одна из простых и точных операций. Можно также измерять температуру почвы на любой глубине, температуру поверхности листа, стебля и др. [c.333]

    Все электрические свойства полупроводников, из которых электропроводность является самым наглядным примером, зависят от количества носителей тока (электронов и дырок). Количество носителей тока в элементарных полупроводниках (таких, как кремний или германий) обычно определяется концентрацией элементов-примесей III и V групп. Каждый из этих элементов обеспечивает точно один электрон проводимости или дырку на один атом примеси (но не при низких температурах). Иногда другие электрически активные примеси дают непосредственно электроны или дырки. Полезная концентрация носителей тока может составлять 1 носитель на 10 атомов кристалла. Отсюда следует, что чистота исходного материала должна быть значительно выше и концентрация примесей, вводимых в материал для создания носителей тока, должна быть выше остаточных примесей. [c.26]

    С практической и технологической точки зрения очень важно знать процессы растворения, диффузии и сорбции для успешного развития производства и применения многих изделий, таких, например, как упаковочные пленки, защитные покрытия и др. Присутствие инородных веществ в твердом теле часто определяет его свойства. Пластификация высокополимеров и влияние следов примесей на электрические свойства полупроводников могут служить в этом отношении убедительными примерами. [c.229]

    Установлено, что при облучении быстрыми нейтронами или ионами заметно меняются многие свойства твердых тел тепло- и электропроводность, твердость и другие механические свойства, параметры кристаллической решетки. Многие из этих изменений аналогичны получаемым совсем другими путями, например при холодной обработке металлов. В большинстве случаев эффекты обратимы, исходные свойства можно восстановить в результате нагревания ( отжиг радиационных эффектов). При облучении нейтронами и другими тяжелыми частицами полупроводников существенное значение имеет образование в их решетке инородных (примесных) атомов в результате ядерных реакций. Так, например, с помощью дозированного облучения можно создавать в кристалле германия определенные примеси галлия и таким образом плавно изменять электрические свойства полупроводника. [c.129]

    Влияние дислокаций и других дефектов сказывается не только на росте кристалла и его механических свойствах, но и на электрических свойствах полупроводников, так как вызывают рассеяние носителей заряда. Дефекты решетки сильно влияют на оптические свойства некоторых кристаллов. Например, вакансии в анионной подрешетке галидов щелочных металлов являются центрами притяжения электронов. Когда в места таких вакансий попадают электроны, то возникают так называемые F-центры, вследствие чего бесцветные прозрачные кристаллы (Na l и др.) приобретают синюю или пурпурную окраску из-за поглощения света электронами, захваченными де ктами решетки. [c.146]

    В валентной концепции проводимости полупроводников с малой подвижностью носителей тока Р. Л. ]у1юллер развивает представления А. Ф. Иоффе о решающей роли локализованных валентных связей в электрических свойствах полупроводников. Р. Л, Мюллером проведен расчет предэкспонен-циального статистического множителя Оо в выражении для собственной ( в,  [c.4]

    В последние годы для объяснения электрических свойств полупроводников с малой подвижностью носителей развита теория поляронов малого радиуса [114]. Размер полярона, т. е. объем кристалла, который он занимает, обратно пропорционален силе элек-трон-фононной связи [122]. В зависимости от радиуса полярона (гп) различают поляроны большого радиуса (континуальные) и малого радиуса [123, 124]. Для полярона малого радиуса Гп постоянная решетки) связь носителей тока с колебаниями решетки очень сильна и рассеяние обусловлено многофонон-ными процессами. Механизм переноса заряда путем перескока возможен только в случае, когда носитель тока — полярой малого радиуса, т. е. интеграл перекрытия мал, а параметр электрон-фононной связи велик. Для перескока необходимо соблюдение неравенства [c.90]

    Первый цикл советских работ по электронной теории катализа оборвался со смертью Л. В. Писарл евского. Затем на протяжении более чем десяти лет по электронному механизму катализа не появлялось новых идей и обобщений ни у нас, ни за границей. Этот период покоя в электронной теории катализа, напротив, оказался очень продуктивным для развития электронной теории твердого тела. Наряду с развитием теории металлов (сверхпроводимость, теория магнитных свойств, теория сплавов и др.) был создан, в значительной мере трудами нашей советской физической школы А. Ф. Иоффе, новый, богатый приложениями раздел учения о твердом тело — физика полупроводников, теоретические основы которого были сформулированы Я. И. Френкелем и его учениками. Было установлено, что электрические свойства полупроводников регулируются микропримесями, отдающими и захватывающими электроны, а так ке отклонениями химического состава кристаллов от стехиометрии. Содержание и размещение микропримесей в твердом теле определяют концентрацию в нем электронов и электронных дырок и локальные изменения этой концентрации. [c.6]

    Изменение электрических свойств полупроводников под влиянием дислокаций определяется как появлением совсем новых энергетических уровней или даже зон [26, 36—43], так и изменением ширины запрещенной зопы, вызываемым полем дислокационных деформаций. Большинство авторов считают, что эти уровни описывают электронные состояния, возникающие на дислокациях вследствие наличия в их ядре разорванных, ненасыщенных связей. В зависимости от положения уровня Ферми относительно дислокационных уровней разорванные связи могут либо захватывать электроны из зоны проводимости, обусловливая акцепторное действие дислокаций, либо отдавать электроны в зону проводимости, обусловливая донор-ное действие. Между захваченными дислокацией электронами возникает кулоновское отталкивание. Поэтому не все акцепторные центры (ненасыщенные связи) заполнены. По расчетам Рида [36] коэффициент заполнения / дислокационных акцепторных уровней не может превышать величину 0,1. Если расстояние Л1еж-ду захваченныл1и электронами мало по сравнению со средним расстоянием между химическими донорами или акцепторами, то вокруг отрицательно заряженной дислокационной [c.246]

    Экспериментальные исследования влияния дислокаций на электрические свойства полупроводников связаны с определенными трудностями. При пластическом деформировании монокристаллов ковалентных полупроводников в температурном интервале пластичности наряду с дислокациями образуются точечные дефекты, перераспределяются примеси и изменяется их состояние. Вклад этих эффектов в некоторых случаях превосходит изменения, связанные с дислокациями [44—46], и может даже привести к инверсии типа проводимости образца [44, 45]. Все это вместе со сложностью создания кристаллов с заданной дислокационной структурой обусловило большую противоречивость экснерийшнтальных данных о положении дислокационных уровней, полученных при исследованиях эффекта Холла, фотопроводимости, рекомбинационного излучения [26, 40, 41]. [c.247]

    В последние годы были предприняты попытки [49— 52] развития методов экспериментального исследования локальных изменений электрических свойств полупроводников под влиянием индивидуальных дислока ций. Они открывают перспективы не только получения более определенных данных для сопоставления с теорией, но и поиска качественно новых эффектов, допускающих соз- [c.249]


Физико-химические и электрические свойства алмазоподобных полупроводников


из «Химия алмазоподобных полупроводников»

Описание физико-химических и электрических свойств алмазоподобных полупроводников мы начнем с простых тел — алмаза, кремния, германия и серого олова. К этой группе элементарных полупроводников близки по свойствам и карбид кремния, и твердые растворы кремния и германия, о которых также будут даны краткие сведения. [c.57]
Так как германий, а в последние годы и кремний, нашли очень широкое применение в радиоэлектронике, то сейчас имеется большое число работ в периодических изданиях, посвященных получению этих веществ в чистом состоянии, исследованию их полупроводниковых свойств и т. д. Вышли из печати специальные сборники, посвященные этим полупроводникам [37—42], в которых сообщаются данные об электрических, термоэлектрических, гальваномагнитных, оптических и других свойствах элементов — полупроводников. Поэтому ниже мы приведем только сведения об основных физико-химических и электрических свойствах полупроводников этой группы. Вопросы получения и очистки будут затронуты очень кратко. [c.57]
Основными характеристиками полупроводников являются их кристаллическая структура и периоды решетки, знание которых дает первое представление о ближнем порядке. [c.57]
В последнее время для оценки ионного и ковалентного типов связи в полупроводниках часто пользуются спай-ностью, определенной как разделение кристаллов параллельно какому-либо кристаллографическому направлению. [c.58]
В Настоящее время не имеется других простых и надежных экспериментальных методов, позволяющих сделать такую оценку, поэтому сведения о спайности весьма полезны. В особенности это относится к бинарным соединениям, которые описываются в следующем разделе. [c.58]
О механических свойствах полупроводников А. Ф. Иоффе писал [43] Основные свойства полупроводника определяются действующи.ми в нем силами связи, которые прежде всего проявляются в механической прочности и в упругих свойствах . [c.58]
В отношении алмазоподобных полупроводников одним из таких основных свойств является твердость. Измерение твердости было введено в физико-химический анализ Н. С. Курнако-вым и оказалось одним из наиболее чувствительных методов для исследования твердых тел. Экспериментальная методика, хорошо разработанная для сплавов, оказалась пригодной для полупроводников. Микротвердость, определяемая обычно по методу вдавливания квадратной алмазной пирамиды на приборе ПМТ-3 (или пирамиды Кнупа), оказалась воспроизводимой характеристикой полупроводников. Метод измерения микротвердости оказался полезным не только для изучения и идентификации структурных составляющих полупроводниковых материалов, но и для суждения о направлении изменения типа химической связи (не только внутри определенных кристаллохимических групп, но и между Ними). [c.58]
Термодинамика полупроводников в настоящее время разработана недостаточно. Однако, ввиду большой практической и теоретической важности относящихся к этой области проблем (обоснование режима ряда процессов, расчет энергии связи и т. п.) необходимо учитывать имеющиеся в литературе сведения о термодинамических характеристиках веществ. [c.58]
Из химических свойств алмазоподобных полупроводников существенное значение имеют данные о растворимости и устойчивости по отношению к действию различных агентов, в особенности кислорода и влаги воздуха. [c.58]
В каждой области технического применения выдвигается ряд специфических требований к. основным характеристикам полупроводниковых материалов. Так как область применения алмазоподобных полупроводников в основном — радиоэлектроника. [c.58]
Достаточно чистый полупроводник, в котором примеси при определенной температуре уже ионизированы, для участия в проводимости должен вовлечь в этот процесс собственные электроны, т. е. электроны, которые осуществляют химическую связь между атомами полупроводникового вещества. Для этого электроны нужно возбудить, затратив определенную для каждого полупроводника энергию, которая и является энергией активации собственной проводимости и по величине соответствует ширине запрещенной зоны. Последний термин связан с энергетическим спектром полупроводника, в котором различают наивысшую из энергетических зон, заполненных при низкой температуре,— валентную зону и следующую за ней разрешенную зону — зону проводимости. Расстояние между ними и называется шириной запрещенной зоны. Несомненно, эта величина зависит от энергии химической связи и ее специфики. [c.59]
Подвижность носителей тока, второй важный параметр полупроводника, характеризует движение электронов в электрическом поле, и определяется механизмом рассеяния носителей тока. В полупроводниках носители тока рассеиваются как на тепловых колебаниях решетки, так и на примесях (дефектах структуры). Таким образом, величина подвижности, грубо говоря, является характеристикой чистоты материала в тех случаях, когда максимальная подвижность уже получена экспериментально на других образцах этого же вещества или когда она известна теоретически. Подвижность носителей тока имеет размерность см 1в сек. [c.59]
Работа большинства полупроводниковых приборов обеспечивается примесным механизмом проводимости, тогда как собственная проводимость, связанная с определенной энергией активации электронов собственных атомов полупроводника (с шириной запрещенной зоны), обычно определяет допустимую температуру эксплуатации приборов. [c.59]
Роль примесей могут играть не только чужеродные атомы, но и нарушения кристаллической решетки. При комнатной температуре обычно все примеси практически ионизированы и создают определенную концентрацию примесных носителей, обозначаемую как п и имеющую размерность см . [c.59]
Если атом примеси имеет меньшую валентность, то он не может полностью завершить окружающую его структуру валентных связей, в системе связей появляется дырка , перемещение которой посредством заполнения ее электронами из смежных связей создает дырочную проводимость. Для примесей, внедряющихся в междоузлия, схема действия более сложна. [c.60]
Для практического использования полупроводников кристаллохимической группы алмаза очень важна возможность создания переходного слоя, так называемого р-л-перехода (от английских positive и negative ), где соприкасаются или непосредственно переходят друг в друга области проводимости разных знаков — дырочная и электронная. Физической основой большинства технических применений алмазоподобных полупроводников являются электронные процессы, происходящие в этой переходной области. Отсюда ясно значение, которое приобрели в последнее время разработка методов очистки, легирования и получения совершенных монокристаллов полупроводников с хорошо воспроизводимыми свойствами. [c.60]
Для германия и кремния этим проблемам посвящена обширная литература [37, 38, 40]. Здесь мы приводим только основные данные, касающиеся действия примесей на тип проводимости веществ, а также данные о коэффициентах распределения примесей. [c.60]
Эта последняя характеристика важна в связи с тем, что общепринятые металлургические методы очистки и получения монокристаллов кремния и германия в последней стадии основаны на использовании различия в составах соприкасающихся твердой и жидкой фаз вещества при кристаллизации и оттеснении примесей от фронта кристаллизации [37—39]. Граница раздела твердой и жидкой фаз вещества, на которой растет кристалл, перемещается. Но это перемещение происходит с такой малой скоростью, что условия на фронте кристаллизации близки к равновесным. Поэтому процесс может изучаться с помощью диаграмм плавкости двухкомпонентных систем, где один компонент — полупроводник, а второй — примесь. [c.60]
Очищенному материалу необходимо придать совершенно определенные электрофизические BofttTBa. Это достигается легированием — введением в материал специальных примесей. Технология этого процесса также хорошо разработана. Здесь легирование будет только упоминаться. Дальше будут приведены краткие сведения о дефектах структуры (дислокациях) в кремнии и германии и о методах их выявления. [c.61]
Оптические свойства полупроводников, например положение длинноволновой границы в спектре поглощения, позволяют определять ширину запрещенной зоны. Многие из нижеприводимых величин этого параметра определены именно таким образом. Максимум чувствительности в спектральном распределении фотоэлектрического эффекта возникает при длинах волн падающего света, приблизительно соответствующих полосе поглощения. Поэтому этот параметр также дает возможность судить о коренных свойствах полупроводника и в дальнейшем будет упоминаться. [c.61]

Вернуться к основной статье

Свойства важнейших полупроводников — Энциклопедия по машиностроению XXL

Свойства важнейших полупроводников  [c.127]

Полупроводниковые соединения могут обладать самыми разнообразными электрофизическими свойствами, в ряде случаев превосходящими свойства простых полупроводников. Рассмотрим наиболее важные для электротехники материалы.  [c.350]

Проведенный качественный анализ не исключает влияния иных механизмов переноса тепла и, в частности, экситонного переноса и переноса энергии диссоциации. Окончательный вывод о механизмах переноса можно сделать только после накопления опытных данных по всем важнейшим свойствам расплавленных полупроводников в широком температурном диапазоне.  [c.144]


Халькогениды таллия в твердой фазе обладают высокой фоточувствительностью и имеют термоэлектрические свойства, приемлемые для практического использования в полупроводниковых устройствах. Плавление большинства из этих соединений не приводит к суш ественному изменению полупроводниковых свойств характер температурной зависимости электропроводности в жидкой фазе остается типичным для полупроводников [1—4]. Наблюдающаяся в ряде сплавов системы Т1 — Те проводимость ге-типа, крайне редко встречающаяся в проводящих расплавах, позволяет рассматривать соединения таллия с теллуром как перспективный материал для отрицательных ветвей жидких термоэлектрических генераторов. Попытки легирования расплавленных соединений систем Т1 — Se, TI — Те показали принципиальную возможность направленного изменения термоэлектрических свойств расплавленных полупроводников [5—6]. Однако для характеристики расплавленных халькогенидов таллия как возможного материала для жидких термоэлектрических генераторов необходимы сведения о важном параметре — коэффициенте теплопроводности. Этот параметр не только определяет термоэлектрическую добротность материала, но и является одной из важнейших характеристик жидкости, зависящей от ее структуры и характера движения ее структурных элементов. За исключением отдельных данных, для системы Т1 — Те [7] обнаружить в литературе сведения о теплопроводности расплавленных халькогенидов таллия не удалось.  [c.34]

Основная цель настоящей работы состоит в обсуждении современного состояния исследований в области жидких полупроводников, которое будет полезным для исследователей, работающих в настоящее время или собирающихся работать в будущем в этой и в смежных областях. Эта книга представляет также автору благоприятную возможность изложить собственную точку зрения на ряд многообещающих подходов к пониманию свойств жидких полупроводников и, как надеется автор, будет стимулировать крайне необходимые исследования этих веществ специалистами, освоившими методы, еще не применяющиеся достаточно широко для изучения жидких полупроводников, такие, как ЯМР и дифракционные методы. Имеется много плодотворных возможностей для проведения важных и интересных работ, которые прежде были скрыты из-за отсутствия достаточно полного источника информации, и настоящая книга, возможно, исправит эту ситуацию. Свойства и природа жидких полупроводников подсказывают много концепций и проблем, являющихся интересными и важными для ученых, интересы которых лежат в области физики и химии конденсированного состояния вещества в настоящей книге эти концепции и проблемы излагаются в форме, приемлемой для читателей, обнаруживающих общий интерес к жидким полупроводникам или просто проявляющих любопытство к данной области исследований.  [c.9]


Электронные свойства жидких полупроводников, как и всех конденсированных веществ, определяются физической структурой на атомном уровне. Понять, насколько возможно, такую структуру — в этом состоит важная часть нашей задачи, и для этой цели важным источником информации являются физикохимические данные. Химические факторы также определяют области составов и температур, в пределах которых возможны экспериментальные исследования свойств жидких полупровод-, ников здесь представляется уместным дать обзор этих факторов.  [c.49]

Таким образом, у полупроводника в противоположность металлу проводимость не может служить мерой частоты столкновений. Часто бывает полезно выделить в выражении для проводимости сомножитель, температурная зависимость которого отражает только изменение частоты столкновений. Для этого определяют подвижность [х носителя тока, равную отношению дрейфовой скорости, которой он достигает в поле Е, к напряженности поля = [х . Если п — концентрация носителей, а q—их заряд, то плотность тока равна ] = = nqv , и, следовательно, проводимость связана с подвижностью соотношением а = nq i. Понятие подвижности не имеет большого самостоятельного значения при описании металлов, поскольку подвижность в них просто пропорциональна проводимости, причем коэффициент пропорциональности не зависит от температуры. Однако оно играет важную роль при описании полупроводников (или любых других проводников, где концентрация носителей может меняться, например электролитов), позволяя разделить два различных источника температурной зависимости проводимости. Польза понятия подвижности выявится, когда мы станем рассматривать в гл. 29 свойства неоднородных полупроводников.  [c.185]

Различие в свойствах металлов, полупроводников и диэлектриков можно понять, если учесть, что электроны в твердом теле (кристалле) располагаются по квантованным энергетическим зонам (состояниям), причем существуют такие области значений энергий, которые не могут быть заняты электронами. Эти области называют запрещенными зонами. Важнейшие свойства (электрические, магнитные, оптические и др.) твердых тел объясняются энергетическим состоянием валентных электронов, поэтому на схемах энергетических состояний (рис. 5.1) изображают две разрешенные энергетические зоны валентную зону, соответствующую нормальным (невозбужденным) состояниям валентных электронов и ближайшую к ней зону возбужденных состояний электронов, которая называется зоной проводимости. Такое название связано с тем, что при отсутствии внешних возбуждений в ней нет электронов. Когда же, получив энергию извне (от облучения, нагрева), электрон перейдет в эту зону, то он может свободно изменять свою энергию, двигаясь под действием внешнего  [c.22]

Итак, мощное световое поле воздействует и на внешние, и на внутренние степени свободы молекул, изменяя характер соответствующих движений и обусловливая зависимость показателя преломления от интенсивности. Вообще говоря, электромагнитное поле влияет и на межмолекулярное взаимодействие. Последнее обстоятельство особо важно для металлов, ионных кристаллов, полупроводников, где взаимодействие между частицами среды очень велико и играет определяющую роль по отношению ко многим, не только нелинейным оптическим свойствам тела.  [c.837]

Таблица показывает, что направления векторов Бюргерса наиболее устойчивых дислокаций хорошо согласуются с направлением скольжения. Выше уже указывалось, что скольжение в кристаллах осуществляется движением дислокаций, причем в процессе скольжения могут возникать новые и исчезать старые дислокации. Поэтому важными характеристиками являются плотность и распределение дислокаций. Под плотностью дислокаций понимают количество дислокаций, пересекающих площадку в м в кристалле. Для сравнительно совершенных кристаллов металлов (после их отжига, приводящего к уменьшению числа дислокаций, поскольку они представляют собой неравновесные образования) плотность дислокаций составляет 102—jgs см 2, а после пластической деформации может достигать 10 —см» . Дислокации сильно влияют (часто ухудшая) на электрические свойства полупроводников, и поэтому разработаны специальные способы выращивания монокристаллов полупроводников с малой плотностью дислокаций вплоть до бездислокационных.  [c.244]


Электроизоляционные материалы под воздействием приложенного постоянного напряжения обнаруживают свойство электропроводности. По сравнению с проводимостью полупроводников, а тем более проводников, проводимость изоляционных материалов ниже на много порядков, тем не менее этот параметр играет важную роль.  [c.17]

Изложено термодинамическое обоснование возможности ретроградного распада с выделением жидкой фазы. Приведены оригинальные данные о прецизионном построении кривых ретроградного солидуса в важнейших полупроводниковых системах с участием германия, кремния, арсенида индия и др. Рассмотрены кинетика распада и структурный механизм этого процесса. Обосновано использование диаграммы фазовых равновесий при выборе уровня легирования полупроводников и режимов их термической обработки. Описаны возможности направленного изменения свойств материалов, обеспечивающих надежную работу электронных устройств.  [c.51]

Релаксация фотопроводимости. Изменение электрических свойств полупроводников под влиянием электромагнитного излучения зависит от времени (релаксация). После прекращения облучения проводимость более или менее быстро возвращается к тому значению, которое она имела до облучения. У одних полупроводников это длится микросекунды, у других измеряется минутами и даже часами. Знание инерционности фотопроводимости различных полупроводниковых веществ важно при разработке, например, фоторезисторов, к быстродействию которых  [c.247]

Время жизни неосновных носителей более чувствительно к облучению, чем удельная электропроводность. Если, например, ввести избыток дырок в полупроводник и-типа (в этом случае дырки являются неосновными носителями, а электроны — основными), то они исчезнут в результате рекомбинации с электронами, но это произойдет не мгновенно. Среднее время, необходимое для рекомбинации неосновного носителя с основным, называется временем жизни неосновного носителя. Эти свойства особенно важны во многих полупроводниковых приборах, особенно в транзисторах. Механизм рекомбинации определяется примесями и другими типами дефектов. В приведенном выше примере дырки и электроны рекомбинируют после захвата дефектами, которые называют центрами рекомбинации. Очень эффективными центрами рекомбинации являются вакансии и междоузлия.  [c.283]

Теплопроводность полупроводников играет важную роль в явлении термоэлектрического охлаждения. Хотя эффективность системы определяется свойствами используемой пары материалов, существует несколько общих требовании, которым должен удовлетворять каждый из материалов, входящих в пару. Эти  [c.253]

При сочетании донорных и акцепторных ингибиторов возникают наиболее благоприятные условия для образования прочных хемосорбционных пленок как на отрицательно заряженных металлах или участках металлов (катодах, энергетических тиках), так и на положительно заряженных металлах или участках металлов (анодах, энергетических ямах) с последующей защитой хемосорбционных пленок более толстыми слоями ингибиторов коррозии адсорбционного типа (структура сэндвича ). Хемосорбционно-адсорбционные пленки часто имеют упорядоченную, доменную структуру и по своим электрическим и диэлектрическим свойствам приближаются к полупроводникам. Важно, что в двигателях и механизмах анодными участками по отношению к стали, как правило, становятся детали из цветных металлов и сплавов — меди, бронзы, магниевых, алюминиевых сплавов и др. В случае макрообъектов на таких металлах можно ожидать преимущественной сорбции ингибиторов донорного действия, которые защищают цветные металлы от коррозии, а не усиливают ее как акцепторные ингибиторы 120, 104].  [c.75]

За редкими исключениями, кристаллы и кристаллиты, образующие поликристаллы, обладают различными типами структурных дефектов. Знание типов, способов образования, а также влияния структурных дефектов на различные процессы и свойства твердых тел совершенно необходимо для современных специалистов по физике твердого тела. Понятие реальный кристалл чрезвычайно широко. При малой концентрации структурных несовершенств реальный кристалл в пределе переходит в идеальный, приобретая качественно новые свойства. При большом содержании дефектов реальный кристалл в пределе приобретает аморфную структуру и свойства, характерные для аморфного состояния. Воздействие на реальную структуру твердых тел является одним из способов управления их свойствами. Например, в зависимости от концентрации точечных дефектов коэффициент диффузии в металлах может меняться на семь порядков, в таком же диапазоне меняется электропроводность полупроводника. Техническая прочность твердых тел отличается от теоретической (предельной) на три-четыре порядка. Исключив возможность влияния несовершенств, можно реализовать теоретическую прочность. Каждому понятно, насколько это важно для практических целей.  [c.6]

Одним из важнейших критериев качества металла или сплава является его чистота. Металл, очищенный от посторонних примесей, приобретает отличные технологические качества. При плавке металла в открытых печах он неизбежно загрязняется из-за контакта с воздухом. Например, германий и кремний проявляют свои полупроводниковые свойства лишь при условии, что их кристаллы не загрязнены вследствие контакта с воздухом. ЭтО требование чрезвычайно трудно выполнить. Одна миллиардная доля примеси уже не является пределом чистоты. В космосе получен уникальный полупроводник — сплав теллуристой ртути с теллуристым кадмием. Этому спо-  [c.28]

Радиационная стойкость. Непрерывно расширяется номенклатура материалов, а также готовых изделий электронной и электротехнической промышленности, к которым предъявляются определенные требования радиационной стойкости, т. е. способности работать, не теряя основных свойств, в условиях интенсивного облучения или после радиационного воздействия. Не менее важным является радиационное воздействие на материалы с целью полезного изменения структуры, улучшения или придания им новых свойств (радиационная сшивка полимеров, легирование полупроводников и т. д.).  [c.164]


Полупроводники — обширная группа обладающих весьма интересными и практически важными свойствами электротехнических материалов, получающих за последние годы все более широкое применение в электротехнике.  [c.193]

Из всего изложенного можно заключить, что описанные исследования дают важную информацию о свойствах полупроводников, находящихся под воздействием внешних полей. Кроме того, приведенные численные данные свидетельствуют о том, что лазер с переворачиванием спина представляет исключительный интерес для практических применений это было, между прочим, доказано спектральными исследованиями в газах в инфракрасной области при высокой разрешающей способности.  [c.401]

Вторую — важную группу представляют ферромагнитные неметаллические соединения со свойствами полупроводников ферриты. Они имеют значительно более высокое (на 6 порядков) электросопротивление и меньшую намагниченность насыщения, чем кремнистые стали и пермаллой. Это позволяет уменьшить потери на вихревые токи и применять ферриты для сердечников и дросселей катушек радиотехнической и электротехнической аппаратуры, работающей в широком диапазоне частот.  [c.417]

Германий, подобно кремнию, является полупроводником, что обусловливает все возрастающее его применение в полупроводниковой электронике. В связи с этим необходимо кратко рассмотреть важнейшие свойства полупроводников.  [c.373]

Одно из важных свойств полупроводников состоит в том, что на границе соприкосновения полупроводников с различным типом проводимости (электронной и дырочной) образуется тонкая пленка, пропускающая ток только в одном направлении. Этот участок называют запирающим ело ем. Благодаря этому свойству полупроводники можно использовать для выпрямления тока.  [c.376]

Значительное число работ в сборнике посвящено свойствам жидких металлов. Эти жидкости упомянуты здесь особо как в связи с их специфическими свойствами, так и в связи с тем, что исследование их свойств требует специальной экспериментальной техники. В этом разделе следует особо отметить работы, связанные с влиянием малых примесей на структурно-чувствительные свойства металлов. Результаты этих работ весьма важны для разработки технолох-ии соответствующих теплоносителей, а также для построения теории жидких металлов. Представляют интерес работы, посвященные свойствам жидких полупроводников, поскольку они рассматриваются как возможные термоэлектроды для высокотемпературных термоэлектрогенераторов.  [c.5]

В книге даётся характеристика главных типов твёрдых тел, основанная на различии их физических свойств (металлы, полупроводники, изоляторы, ионные соединения, молекулярные кристаллы), сжато описаны структуры и физические свойства некоторых наиболее важных простых веществ и химических соединений и изменения этих свойств в зависимости от температуры. Главное место в книге отведено теоретическому рассмотрению важнейших физических свойств твёрдых тел. Силы сцепления в твёрдых телах, электрические, магнитные, оптические и другие свойства рассматриваются на основе зонной теории, позволяющей с единой точки зрения охватить достаточно широкий класс веществ. Несколько глав отведено изложению основ квантовой механики и приближённых методов решеиия квантовомеханических задач. В книге дан ряд ссылок на монографии по специальным разделам физики и теории твёрдого тела, а также многочисленные ссылки на оригинальные работы. В приложении дана библиография опубликованных за последние годы работ советских авторов по вопросам физики твёрдого тела. Кннга рассчитана на научных работников, работающих в области исследования свойств и структуры твёрдых тел, а также аспирантов и студентов старших курсов, специализирующихся в той же области. Книга будет полезна также для инженеров и технологов соответствующих производств, работающих над повышением своего научного кругозора.  [c.2]

Хорошо известно, что образования дефектов в существенной степени определяет свойства материалов. Точечные дефекты играют основополагающую роль во всех макроскопических свойствах материалов, связанных с механизмами диффузии атомов и электронными свойствами в полупроводниках. Общепризнано, что линейные дефекты, или дислокации, являются основными элементами, определяющими пластичность и хрупкое разрушение (рис. 20.1). Индивидуальные дефекты в твердых телгьх сейчас исследуются уже на весьма высоком уровне, и несмотря на это исследования коллективного поведения дефектов в неравновесных условиях делают лишь свои первые шаги. Тем не менее в последние годы достигнут существенный прогресс в изучении динамики дислокаций и пластических неустойчивостей, в связи с чем приобрела важное значение теория нелинейных явлений.  [c.433]

Для сварщиков важно иметь в виду, что прочные связи ковалентного типа устанавливаются не только в атомных кристаллах, но и при соединении металлов с металлоидами, оксидами металлов, а также полупроводниками или интерметалли-дами, обладающими полупроводниковыми свойствами. Интерме-таллиды — соединения типичных металлов с металлами, имеющими слабые металлические свойства.  [c.9]

В полупроводниковых лазерах, в отличие от лазеров на примесных кристаллах, активным веществом служит сама кристаллическая матрица полупроводника, а примеси лишь служат источником носителей заряда электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. При создании с помощью накачки избыточного (по сравнению с равновесным) числа электронов и дырок позможно возвращение к состоянию равновесия посредством оптического межзонного перехода — фоторекомбинации. Вероятность фоторекомбинации велика лишь для прямозонных полупроводников, таких, у которых максимум энергии.в валентной зоне и минимум энергии в зоне проводимости соответствуют одному и тому же значению квазиимпульса. По этой причине все полупроводники, на которых получена генерация, являются прямозонными. Перечислим важнейшие свойства полупроводниковых лазеров  [c.946]

Полупроводники представляют собой обширную группу веществ, занимающих по величине удельной объемной проводимости промежуточное положение между диэлектриками и проводниками. Возможность получения различного характера электроироводности — электронной и дырочной — и управления ею составляет одну из важных отличительных особениосте полупроводников. В периодической системе имеется 12 элементов, обладающих полупроводниковыми свойствами это так называемые элементарные или простые полупроводники (основной состав полупроводника образован атомами одного химического элемента). Такими элементами являются в III группе — бор в IV группе — углерод, кремний, германий, олово (серое) в V группе — фосфор, мышьяк, сурьма в VI группе —сера, селен, теллур в VII группе — йод. Достаточно отчетливо можно представить общие закономерности и особегнюсти элементарных полупроводников, рассматривая такие полупроводники, как германий и кремний ( 13.5 и 13.6).  [c.171]

Из результатов исследований последних лет в области сверхпроводимости важно отметить открытие того, что помимо понижения температуры появлению сверхпроводимости способствует и повышение давления у некоторых веществ, не переходящих при нормальном давлении в сверхпроводящее состояние, удалось обнаружить сверхпроводимость при воздействии на вещество высокого гидростатического давления. Установлены даже сверхпроводящие свойства не только у веществ, являющихся при нормальных условиях проводниками (прежде всего у металлов, сплавов металлов н интерметаллических соединений), но и у полупроводников (например, у анти-монида индия InSb —см. стр. 263, который имеет температуру сверхпроводящего перехода около 5 К при давлении около 30 ГПа). В Институте высоких давлений Академии наук СССР открыта сверхпроводимость у серы (Тс = 9,7 К) и ксенона (Т,. = 6,8 К).  [c.209]


Лазерное излучение получают в пределах спектральной полосы люмин есценции или вблизи неё, причём в излуча-тельных процессах участвуют свободные носители. Важнейшим типом и. л. является гетеролазер, в структуру к-рого включены гетеропереходы между полупроводниковыми материалами с различающимися электрич. и оптич. свойствами, что позволяет снизить пороговый ток лазерной генерацпи и увеличить кпд. Перекрытие диапазонов за счёт использования разных полупроводников показано на рис. 3.  [c.147]

Законы К. м. составляют фундамент наук о строении вещества. Они иозволили выяснить строение электронных оболочек атомов и расшифровать атомные и молекулярные снектры, установить природу хим. связи, объяснить периодич. систему элементов Менделеева, понять строение и свойства атомных ядер. Поскольку свойства макроскопич. тел определяются движением и взаимодействием частиц, из к-рых они состоят, законы К. м. объясняют многие макроскопич. явления, напр. температурную зависимость и величину теплоёмкости макроскопич. систем (газов, твёрдых тел). Законы К. м. лежат в основе теории строения твёрдых тел (металлов, диэлектриков, полупроводников) и её многочисл. техн. приложений. Только на основе К. м. удалось последовательно объяснить магн. свойства веществ а создать теорию ферромагнетизма и антиферромагнетизма. К. м. естеств. образом решила ряд проблем классич. статистич. физики, напр, обосновала теорему Нернста (см. Третье начало термодинамики), разрешила Гиббса парадокс. Важное значение имеют макроскоиич. квантовые эффекты, проявляющиеся,  [c.273]

Важнейшим свойством сетки Миллера и Абрахамса является зкспояенциальво широкий разброс входящих в неё сопротивлений для слаболегировавного полупроводника значения только первого слагаемого в (1) для доноров, отстоящих на среднем и двух средних расстояниях, отличаются примерно в 10, а соответствую-  [c.170]

Ф. э. может быть представлена как результат трёх после-доват. процессов поглощение фотона и появление электрона с высокой по сравнению со средней) энергией движение этого электрона к поверхности, при к-ром часть его энергии может рассеяться за счёт взаимодействия с др. электронами или дефектами и колебаниями кристаллич. решётки (фононами) выход электрона в вакуум или др. среду через потенц. барьер на границе раздела. В металлах Ф. э. в видимой и УФ-областях спектра связана с поглощением фотонов электронами проводимости. В полупроводниках и диэлектриках Ф. э. в этой области спектра определяется в осн. возбуждением электронов из валентной зоны. Важной количеств, характеристикой Ф. э. является квантовый выход Y—число эмитированных электронов в расчёте на один фотон, падающий на поверхность тела. Вели-тана Y определяется свойствами вещества, состоянием его поверхности и энергией фотонов.  [c.365]

В структурах алмаза, кремния, германия и алмазоподобных соединений сильным ковалентным отвечают максимальные значения модулей упругости Еиь Однако, в отличие от металлов, для этого класса материалов наиболее важны не механические, а электрофизические свойства. Определение пoJ y пpoвoдникa трудно представить до рассмотрения электронной зонной теории кристаллических твердых тел. Можно сказать, что полупроводники — это изоляторы, в которых запрещенная зона между состояниями валентных электронов (валентная зона) и электронными состояниями, ответственными за электропроводность (зона проводи.мости), значительно меньше, чем в обычных изоляторах, и может быть преодолена при наличии определенных условий, например, с помощью теплового возбуждения. Поэтому, в отличие от металлов, электропроводность пoJTV пpoвoдникoв растет с температ рой.  [c.46]

Даже то немногое, что мы узнали о фазовых диаграммах, достаточно для решения важнейшей практической задачи получения чистых химических элементов. Нам уже известно, как сильно сказывается иногда содержащаяся даже в ничтожном количестве примесь на свойствах металлов. Но настоящим бедствием стали примеси в техноло- fi ГИИ полупроводников. Долгое вре- I. мя прогресс в этой области тор- мозился отсутствием действенных методов очистки.  [c.47]

Неметаллы и металлы рассматриваются параллельно. Основные экспериментальные методы (гл. 2), а также краткое изложение главных особенностей теплопроводности (гл. 3) относятся к обоим типам веществ. Далее рассматриваются фононы, являющиеся носителями тепла в неметаллах, механизмы их рассеяния и вклад в теплопроводность (гл. 4—8). Некристаллические твердые тела, например стекла, обсуждаются отдельно (гл. 9). Изучаются свойства электронов в металлах и их рассеяние, а также теплопроводность металлов и сплавов, обусловленная электронами и фононами (гл. 10—12). Так как теория электронов хорошо известна в связи с электропроводностью, она обсуждается более кратко, чем для фоно-нов. О теплопроводности сверхпроводников только упоминается. Наконец, рассматриваются полупроводники, в которых важны как решеточная, так и электронная теплопроводности (гл, 13).  [c.12]

Инфракрасная интроскопия дословно означает тепловое внутривидение и позволяет видеть внутреннюю структуру таких важных для радиоэлектроники ма1ериалов, как полупроводники. Наличие в полупроводниках мельчайших примесей резко ухудшает их свойства. Интроскопы позволяют точно контролировать монокристаллы полупроводников, находить нарушения структуры и микротрещины.  [c.543]

Не менее важной областью применения тугоплавких соединений является изготовление нагревателей высокотемпературных печей, в частности из дисилицида молибдена — для эксплуатации на воздухе при температурах до 1700° С и из карбида ниобия — для работы в вакууме при температурах до 3000° С. Огнеупорные свойства тугоплавких соединений используются или могут быть использованы при изготовлении ответственных деталей насосов и каналов для транспортировки расплавленных металлов, футеро-вок каналов МГД-генераторов, теплообменных устройств, деталей аппаратуры для работы с парами металлов и расплавленными металлами (в т. ч. при производстве полупроводников методом плавки). Особенно высоки огнеупорные качества карбидов титана, бора, кремния, ниобия, дисилицида молибдена, диборида циркония, нитридов алюминия, бора, кремния, карбонитрида бора.  [c.6]

Специально в связи с проблемой создания перестраиваемых лазеров были проведены исследования вынужденного комбинационного рассеяния на свободных носителях заряда в полупроводниках. Энергетические состояния носителей заряда вырождены при воздействии (квази)статического магнитного поля на твердое тело происходят расщепления на уровни Ландау, разность энергий которых соответствует циклотронной частоте, и на подуровни, соответствующие ориентациям спинов электронов. При излучательных процессах могут иметь место переходы между уровнями с различной ориентацией спинов, т. е. явления переворачивания спинов (spin-flip). Исследования этих процессов переворачивания спинов внесли важные вклады как в лучшее понимание свойств полупроводников, так и в их практические применения [3.16-12 — 3.16-14].  [c.396]

Полупроводники, Реальная кристаллическая структура металлов. Рассмотрим вкратце очень важное для ряда технических назначений свойство слабой электронной проводимости, которой обладают некоторые вещества— полупроводники. Одним из ее видов является собственная слабая проводимость, которой обладает при нагрева НИИ элемент полуметаллической природы — германий.  [c.38]

Полупроводники занимают по величине удельной проводимости промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Особенности свойств полупроводников позволяют широко использовать их в различных отраслях электротехники в технике связи, в широком диапазоне частот, в различных устройствах радиоэлектроники и в технике сильного тока. Их применяютв выпрямителях, в усилителях, в фотоэлементах, в качестве специальных источников тока и т. п. Наряду со сравнительно давно известными полупроводниками, такими как селен, окислы, сульфиды, различные соединения химических эле ментов и изделия из электротехнического угля, в последние годы стали широко применять в качестве полупроводников Германий и кремний. В полупроводниковой технике эти материалы занимают очень важное место и безусловно сыграют в будущем большую роль в развитии многих отраслей электротехники.  [c.12]


Что такое полупроводники? | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Не все тела одинаково проводят электрику: одни — хоро­шо, вследствие чего и получили название проводники, а другие — почти не проводят — их назвали изоляторами, или диэлектриками.

Однако оказалось, что подавляющее боль­шинство веществ нельзя отнести ни к про­водникам, ни к диэлектрикам. Эту группу веществ назвали полупроводниками и счита­ли, что они практического значения в элект­ричестве не имеют. В самом деле, более поздние исследования показали, что боль­шинство полупроводников практического применения в электричестве не нашли. Тем не менее среди них были выявлены и такие, которые имеют чрезвычайно интересные и важные свойства, что и побуждало к даль­нейшему их изучению, а со временем и к широкому использованию.

Чтобы удостовериться в том, что по удель­ному сопротивлению или электропроводимос­ти полупроводники занимают промежуточ­ное место между хорошими проводниками (например, металлами) и диэлектриками, можно провести опыт, схема которого изобра­жена на рис. 8.1. Берут три одинаковых по размеру тела: из металла (м), полупровод­никового вещества (п/п) и диэлектрика (д). Поддерживая в цепи постоянное напряже­ние, включают поочередно тело из металла, полупроводникового вещества и диэлектрика.

Если к цепи подключено металлическое тело, то сила тока довольно значительна — стрелка амперметра отклоняется до конца шкалы. В случае включения диэлектрика ток в цепи практически отсутствует, а при вклю­чении полупроводника сила тока имеет про­межуточное значение (рис. 8.2).

Рис. 8.1. Сравнение сопротивления или электропроводимости разных веществ
Рис. 8.2. Сила тока в цепи при по­стоянном напряжении

Таким образом, можно сделать вывод, что полупроводники по удельному сопро­тивлению или электропроводимости зани­мают промежуточное место между метал­лами (наилучшими проводниками) и ди­электриками: ρМ < ρП/П < ρД (рис. 8.3).

Тем не менее следует иметь в виду, что четкой границы значений удельного сопро­тивления металлов, полупроводников и ди­электриков нет. Некоторые полупроводники при определенных условиях могут быть по электрическим свойствам близки как к ме­таллам, так и к диэлектрикам.

Иногда слово «полупроводник» связыва­ют с тем, что якобы полупроводники про­водят ток лишь в одном направлении. На самом деле это не совсем так (рис. 8.4).

Если взять тело из полупроводникового вещества и про­пускать через него ток сначала в одном, а потом в противоположном направлении, то значения сил тока в обоих случаях будут одинаковыми.

Рис. 8.3. Сравнение значений удельных сопротивлений и электропроводимостей различных веществ
Рис. 8.4. Полупроводниковые вещества односторонней проводимости не имеют

Существуют полупроводниковые при­боры, например, диоды, которые в самом деле проводят ток практически в одном направлении.

Диод — прибор с двумя электродами, пропускающий ток практически в одном на­правлении.

По каким же признакам из огромного количества веществ, которые существуют в природе или могут быть созданы искусст­венно, выбирают вещества, именуемые се­годня полупроводниками? Необходимо вспомнить, как зависит сопротивление металлических про­водников от температуры. Если взять метал­лический, например железный, проводник и нагревать его в пламени свечи (рис. 8.5, а), то сила тока в цепи будет уменьшаться. Если при этом напряжение на участке цепи поддерживается постоянным, то можно сде­лать вывод, что с повышением температуры сопротивление металлических проводников воз­растает. График такой зависимости изобра­жен на рисунке 8.6.

Если же нагревать полупроводниковое ве­щество (рис. 8.5, б), то сила тока в цепи бу­дет возрастать. Следовательно,

в отличие от металлических проводников, сопротивление которых при нагревании возрастает, сопро­тивление полупроводников уменьшается с по­вышением температуры (по крайней мере, в опреде­ленном интервале).

Именно по этому признаку и выбирают полупроводниковые вещества, которые ис­пользуются в современной технике. Причи­на такой зависимости состоит в том, что при нагревании полупроводников в них рез­ко возрастает количество свободных носите­лей заряда, которые могут образовывать ток. Материал с сайта http://worldofschool.ru

Рис. 8.5. Сравнение зависимости сопро­тивления различных веществ от тем­пературы
Рис. 8.6. Графики зависимости сопро­тивлений металлов и полупроводников от температуры

Уменьшение сопротивления сернистого серебра (Ag2S) еще в 1833 г. наблюдал вы­дающийся английский ученый М. Фарадей. Сегодня это свойство полупроводников ши­роко используется в приборах, которые на­зываются термисторами.

Термистор (терморезистор) — датчик темпе­ратуры в электрических термометрах, термо­регуляторах и т. п.

Позже, а именно в 1873 г., В. Смит наблюдал изменение сопротивле­ния кристаллического селена при освеще­нии, которое стало основанием для изго­товления фоторезисторов.

Фоторезистор — составная часть прибо­ров для измерения световых величин, вклю­чения света с наступлением темноты или его выключения с восходом солнца (так называемые фотореле).

Исследования показали, что на свойства полупроводников влияют рентгеновские лучи, радиоактивное излучение, магнитные по­ля, механические деформации и др. Со всего сказанного можно сделать вывод:

Полупро­водники — это вещества, по своему удельному сопротивлению занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлект­риками. Сопротивление полупроводников при нагревании уменьшается, оно также за­висит от освещения, различных видов излу­чения и т. п.

К полупроводникам относятся некоторые вещества, образованные химическими эле­ментами (силиций, германий, селен и др.), а также оксиды (Cu2O, Zn и др.), сульфиды (Pb, Ag2S, Cd и др.) и большое количество естественных и искусственных веществ. Ис­ключительно важные свойства полупровод­ников обусловили их широкое использо­вание в технике.

На этой странице материал по темам:
  • Шпоры полупроводники

  • Доклад на тему полупроводники по физике 8 класс

  • Исследования полупроводников история кратко

  • Проводники диэлектрики полупроводники конспект краткий

  • Кратко о том что такое проводники

Вопросы по этому материалу:
  • На рис. 8.5 изображены электрические цепи с металлическим и полупроводниковым (термистор) резисторами. Как будут изменя­ться показания гальванометров в обоих случаях, если резисторы подогревать?

  • На одну плоскость металлической пластинки нанесено полупро­водниковое вещество, например селен. Как определить эту плос­кость?

Чем полупроводники отличаются от металлов. Примеры полупроводников

В электричестве выделяют три основных группы материалов – это проводники, полупроводники и диэлектрики. Основным их отличием является возможность проводить ток. В этой статье мы рассмотрим, чем отличаются эти виды материалов и как они ведут себя в электрическом поле.

Что такое проводник

Вещество, в котором присутствуют свободные носители зарядов, называют проводником. Движение свободных носителей называют тепловым. Основной характеристикой проводника является его сопротивление (R) или проводимость (G) – величина обратная сопротивлению.

Говоря простыми словами – проводник проводит ток.

К таким веществам можно отнести металлы, но если говорить о неметаллах то, например, углерод – отличный проводник, нашел применение в скользящих контактах, например, щетки электродвигателя. Влажная почва, растворы солей и кислот в воде, тело человека – тоже проводит ток, но их электропроводность зачастую меньше, чем у меди или алюминия, например.

Металлы являются отличными проводниками, как раз таки благодаря большому числу свободных носителей зарядов в их структуре. Под воздействием электрического поля заряды начинают перемещаться, а также перераспределяться, наблюдается явление электростатической индукции.

Что такое диэлектрик

Диэлектриками называют вещества, которые не проводят ток, или проводят, но очень плохо. В них нет свободных носителей зарядов, потому что связь частиц атома достаточно сильная, для образования свободных носителей, поэтому под воздействием электрического поля тока в диэлектрике не возникает.

Газ, стекло, керамика, фарфор, некоторые смолы, текстолит, карболит, дистиллированная вода, сухая древесина, резина – являются диэлектриками и не проводят электрический ток. В быту диэлектрики встречаются повсеместно, например, из них делаются корпуса электроприборов, электрические выключатели, корпуса вилок, розеток и прочее. В линиях электропередач изоляторы выполняются из диэлектриков.

Однако, при наличии определенных факторов, например повышенный уровень влажности, напряженность электрического поля выше допустимого значения и прочее – приводят к тому, что материал начинает терять свои диэлектрические функции и становится проводником. Иногда вы можете слышать фразы типа «пробой изолятора» — это и есть описанное выше явление.

Если сказать кратко, то основными свойствами диэлектрика в сфере электричества являются электроизоляционные. Именно способность препятствовать протеканию тока защищает человека от электротравматизма и прочих неприятностей. Основной характеристикой диэлектрика является электрическая прочность – величина равная напряжению его пробоя.

Что такое полупроводник

Полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, а при соблюдении определенных условий – сообщении веществу энергии в нужных количествах. Это связано с тем, что свободных носителей (дырок и электронов) зарядов слишком мало или их вовсе нет, но если приложить какое-то количество энергии – они появятся. Энергия может быть различных форм – электрической, тепловой. Также свободные дырки и электроны в полупроводнике могут возникать под воздействием излучений, например в УФ-спектре.

Где применяются полупроводники? Из них изготавливают транзисторы, тиристоры, диоды, микросхемы, светодиоды и прочее. К таким материалам относят кремний, германий, смеси разных материалов, например арсенид-галия, селен, мышьяк.

Чтобы понять, почему полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, нужно рассматривать эти материалы с точки зрения зонной теории.

Зонная теория

Зонная теория описывает наличие или отсутствие свободных носителей зарядов, относительно определенных энергетических слоев. Энергетическим уровнем или слоем называют количество энергии электронов (ядер атомов, молекул – простых частиц), их измеряют в величине Электронвольты (ЭВ).

На изображении ниже показаны три вида материалов с их энергетическими уровнями:

Обратите внимание, что у проводника энергетические уровни от валентной зоны до зоны проводимости объединены в неразрывную диаграмму. Зона проводимости и валентная зоны накладываются друг на друга, это называется зоной перекрытия. В зависимости от наличия электрического поля (напряжения), температуры и прочих факторов количество электронов может изменяться. Благодаря вышеописанному, электроны могут передвигаться в проводниках, даже если сообщить им какое-то минимальное количество энергии.

У полупроводника между зоной валентности и зоной проводимости присутствует определенная запрещенная. Ширина запрещенной зоны описывает, какое количество энергии нужно сообщить полупроводнику, чтобы начал протекать ток.

У диэлектрика диаграмма похожа на ту, которая описывает полупроводники, однако отличие лишь в ширине запрещенной зоны – она здесь во много раз большая. Различия обусловлены внутренним строением и вещества.

Мы рассмотрели основные три типа материалов и привели их примеры и особенности. Главным их отличием является способность проводить ток. Поэтому каждый из них нашел свою сферу применения: проводники используются для передачи электроэнергии, диэлектрики – для изоляции токоведущих частей, полупроводники – для электроники. Надеемся, предоставленная информация помогла вам понять, что собой представляют проводники, полупроводники и диэлектрики в электрическом поле, а также в чем их отличие между собой.

Кикоин А.К. Диэлектрики, полупроводники, полуметаллы, металлы //Квант. — 1984. — № 2. — С. 25-29.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала «Квант»

В классической физике было принято все вещества по их электрическим свойствам разделять на проводники и диэлектрики («Физика 9», §§44 и 46). Современная физика различает еще два промежуточных состояния — полупроводники («Физика 9», § 78) и полуметаллы. Лишь с появлением квантовой механики стало ясно, в чем различия между всеми этими типами веществ. В этой заметке мы постараемся вкратце описать суть современной квантово-механической теории, объясняющей электрические свойства твердых тел.

Твердое тело состоит из атомов, образующих кристаллическую решетку. Атомы удерживаются в решетке силами взаимодействия электрически заряженных атомных частиц — положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов. Электрический ток в кристалле — это движение электронов, которое подчиняется законам квантовой механики. Согласно этим законам, электроны и в отдельном атоме, и в кристалле могут обладать лишь определенными (разрешенными) значениями энергии, или, иными словами, находиться на определенных энергетических уровнях . Чем выше уровень, тем большей энергии он соответствует.

В атоме эти уровни расположены довольно далеко один от другого — принято говорить, что уровни образуют дискретный энергетический спектр (рис. 1). При определенных условиях электроны могут переходить с одного уровня на другой, разрешенный, уровень. Электрон с данной энергией может двигаться только по замкнутой траектории — орбите — вокруг ядра .

Когда атомы объединяются в кристалл, часть электронов по-прежнему остается на своих атомных орбитах, но наиболее удаленные от ядра электроны получают возможность двигаться по всему кристаллу благодаря тому, что внешние орбиты соседних атомов перекрываются. А это значит, что и энергетические уровни, раньше принадлежавшие отдельным атомам, становятся «общими» для всего кристалла. Вместо дискретных уровней в кристалле образуются энергетические зоны , состоящие из очень близко расположенных уровней. Электроны, которые находятся на этих «обобществленных» уровнях, называются валентными электронами .

Валентные электроны движутся по орбитам, охватывающим весь кристалл, и, казалось бы, могут проводить электрический ток. Однако если бы все было так просто, все твердые тела были бы хорошими проводниками (металлами). Законы квантовой механики делают картину гораздо более сложной и разнообразной.

Во-первых, энергетические зоны разделены промежутками, в которых нет ни одного энергетического уровня. Эти промежутки называются запрещенными зонами . Во-вторых, электроны подчиняются так называемому принципу Паули, согласно которому на каждом уровне в данном состоянии может находиться только один электрон. При наинизшей возможной температуре (равной абсолютному нулю) энергетические уровни последовательно снизу вверх (то есть начиная с наименьших значений энергии) заполняются электронами в соответствии с принципом Паули, а уровни с более высокими энергиями остаются свободными. Различная степень заполнения энергетических зон, а также различия в их относительном расположении и позволяют разделить все твердые тела на диэлектрики, полупроводчики, полуметаллы и металлы.

Диэлектрики.

При T = 0 валентные электроны целиком заполняют наинизшую зону, называемую валентной зоной (рис. 2). Свободных уровней в ней нет, а следующая разрешенная зона — зона проводимости — отделена от нее широкой запрещенной зоной. Если к такому образцу приложить электрическое поле, оно не сможет ускорить электроны, то есть создать электрический ток, так как ускорить электрон — значит сообщить ему дополнительную энергию, а, согласно законам квантовой механики, это можно сделать, только переведя его на более высокий энергетический уровень. Но принцип Паули запрещает электронам занимать уже занятые уровни, а попасть в следующую разрешенную зону, которая совершенно пуста, они не могут, потому что энергия, полученная от электрического поля, много меньше ширины Δ запрещенной зоны.

При температуре, отличной от нуля, электроны, в принципе, могут перейти в зону проводимости и стать носителями электрического тока. Однако для того чтобы число электронов, перешедших в эту зону, было достаточно большим, нужно диэлектрик нагреть до такой высокой температуры, что он расплавится, прежде чем ток достигнет измеримой величины. При комнатной температуре ток в диэлектрике практически не течет.

Полупроводники.

От диэлектрика полупроводник отличается только тем, что ширина Δ запрещенной зоны, отделяющей валентную зону от зоны проводимости, у него много меньше (в десятки раз). При T = 0 валентная зона в полупроводнике, как и в диэлектрике, целиком заполнена, и ток по образцу течь не может. Но благодаря тому, что энергия Δ невелика, уже при незначительном повышении температуры часть электронов может перейти в зону проводимости (рис. 3). Тогда электрический ток в веществе станет возможным, причем сразу по двум «каналам».

Во-первых, в зоне проводимости электроны, приобретая энергию в электрическом поле, переходят на более высокие энергетические уровни. Во-вторых, вклад в электрический ток дают… пустые уровни, оставленные в валентной зоне электронами, ушедшими в зону проводимости. Действительно, принцип Паули разрешает любому электрону занять освободившийся уровень в валентной зоне. Но, заняв этот уровень, он оставляет свободным свой собственный уровень и т. д. Если следить не за движением электронов по уровням в валентной зоне, а за движением самих пустых уровней, то оказывается, что эти уровни, имеющие научное название дырки , тоже становятся носителями тока. Число дырок, очевидно, равно числу электронов, ушедших в зону проводимости (так называемых электронов проводимости ), но дырки обладают положительным зарядом, потому что дырка — это отсутствующий электрон.

Таким образом, в полупроводнике электрический ток — это ток электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Такая проводимость полупроводника называется собственной .

Электроны и дырки при движении по кристаллу взаимодействуют с атомами кристаллической решетки, теряя при этом свою энергию. С этими потерями связано электрическое сопротивление вещества. При увеличении температуры потери энергии возрастают, так что сопротивление полупроводника должно было бы с ростом температуры тоже увеличиваться. Но при повышении температуры растет число электронов , переходящих в зону проводимости, а следовательно, и число дырок r валентной зоне. Это значит, что растет (и очень быстро) общее число носителей тока. Из-за этого сопротивление полупроводника с повышением температуры не растет, а падает. Полупроводник и можно определить как вещество, практически не проводящее ток при абсолютном нуле температур, но сопротивление которого с ростом температуры резко падает .

В природе, однако, полупроводников с собственной проводимостью не существует: в них всегда имеются примеси других веществ, которые и определяют их электрические свойства. Наличие примесей приводит к тому, что в запрещенной зоне полупроводника появляются дополнительные энергетические уровни, с которых или на которые тоже возможны электронные переходы. Широкое применение полупроводников в технике стало возможным только после того, как технологи научились управлять содержанием примесей в полупроводниках и по своему усмотрению делать их проводимость (примесную проводимость ) почти чисто электронной или чисто дырочной.

Оказывается, можно подобрать такие примеси, атомы которых легко отдают электроны. Освободившиеся при этом дополнительные уровни энергии располагаются внутри запрещенной зоны полупроводника вблизи ее верхнего края (рис. 4, а). Такие примеси называются донорными примесями , а уровни — донорными уровнями. Из рисунка 4, а видно, что при одной и той же температуре электронам с таких уровней гораздо легче перейти в зону проводимости, чем электронам из валентной зоны, поэтому примесные уровни и станут основными поставщиками электронов в зону проводимости. Но при этом в валентной зоне дырок появляться не будет, и проводимость полупроводника станет почти чисто электронной. Такие полупроводники называются полупроводниками n -типа.

Существуют и такие примеси, атомы которых легко присоединяют к себе электроны (акцепторные примеси ). Дополнительные уровни их электронов (акцепторные уровни) тоже располагаются внутри запрещенной зоны полупроводника, но вблизи ее дна (рис. 4, б). В этом случае электронам из валентной зоны легче перейти на акцепторные уровни примеси, чем в зону проводимости. Тогда в валентной зоне появятся дырки без того, чтобы в зоне проводимости появились электроны. Получится полупроводник с почти чисто дырочной проводимостью, или полупроводник p -типа.

Электроны в металлах окончательно «забывают» свое атомное происхождение, их уровни образуют одну очень широкую зону. Она всегда заполнена лишь частично (число электронов меньше числа уровней) и потому может называться зоной проводимости (рис. 6). Ясно, что в металлах ток может течь и при нулевой температуре . Более того, с помощью квантовой механики можно доказать, что в идеальном металле (решетка которого не имеет дефектов) при T = 0 ток должен течь без сопротивления !

К сожалению, идеальных кристаллов не бывает, а нулевой температуры достичь невозможно. В действительности электроны теряют энергию, взаимодействуя с колеблющимися атомами решетки, так что сопротивление реального металла растет с температурой (в отличие от сопротивления полупроводника). Но самое главное — это то, что при любой температуре электропроводность металла значительно выше электропроводности полупроводника потому, что в металле гораздо больше электронов, способных проводить электрический ток.

Самым известным полупроводником является кремний (Si). Но, кроме него, есть много других. Примером могут служить такие природные полупроводниковые материалы, как цинковая обманка (ZnS), куприт (Cu 2 O), галенит (PbS) и многие другие. Семейство полупроводников, включая полупроводники, синтезированные в лабораториях, представляет собой один из наиболее разносторонних классов материалов, известных человеку.

Характеристика полупроводников

Из 104 элементов таблицы Менделеева 79 являются металлами, 25 — неметаллами, из которых 13 обладают полупроводниковыми свойствами и 12 — диэлектрическими. Основное отличие полупроводников состоит в том, что их электропроводность значительно возрастает при повышении температуры. При низких температурах они ведут себя подобно диэлектрикам, а при высоких — как проводники. Этим полупроводники отличаются от металлов: сопротивление металла растёт пропорционально увеличению температуры.

Другим отличием полупроводника от металла является то, что сопротивление полупроводника падает под действием света, в то время как на металл последний не влияет. Также меняется проводимость полупроводников при введении незначительного количества примеси.

Полупроводники встречаются среди химических соединений с разнообразными кристаллическими структурами. Это могут быть такие элементы, как кремний и селен, или двойные соединения, как арсенид галлия. Многие полиацетилен (СН) n, — полупроводниковые материалы. Некоторые полупроводники проявляют магнитные (Cd 1-x Mn x Te) или сегнетоэлектрические свойства (SbSI). Другие при достаточном легировании становятся сверхпроводниками (GeTe и SrTiO 3). Многие из недавно открытых высокотемпературных сверхпроводников имеют неметаллические полупроводящие фазы. Например, La 2 CuO 4 является полупроводником, но при образовании сплава с Sr становится сверхроводником (La 1-x Sr x) 2 CuO 4 .

Учебники физики дают полупроводнику определение как материалу с электрическим сопротивлением от 10 -4 до 10 7 Ом·м. Возможно и альтернативное определение. Ширина запрещённой зоны полупроводника — от 0 до 3 эВ. Металлы и полуметаллы — это материалы с нулевым энергетическим разрывом, а вещества, у которых она превышает З эВ, называют изоляторами. Есть и исключения. Например, полупроводниковый алмаз имеет запрещённую зону шириной 6 эВ, полуизолирующий GaAs — 1,5 эВ. GaN, материал для в синей области, имеет запрещённую зону шириной 3,5 эВ.

Энергетический зазор

Валентные орбитали атомов в кристаллической решётке разделены на две группы энергетических уровней — свободную зону, расположенную на высшем уровне и определяющую электропроводность полупроводников, и валентную зону, расположенную ниже. Эти уровни, в зависимости от симметрии решётки кристалла и состава атомов, могут пересекаться или располагаться на расстоянии друг от друга. В последнем случае между зонами возникает энергетический разрыв или, другими словами, запрещённая зона.

Расположение и заполнение уровней определяет электропроводные свойства вещества. По этому признаку вещества делят на проводники, изоляторы и полупроводники. Ширина запрещённой зоны полупроводника варьируется в пределах 0,01-3 эВ, энергетический зазор диэлектрика превышает 3 эВ. Металлы из-за перекрытия уровней энергетических разрывов не имеют.

Полупроводники и диэлектрики, в противовес металлам, имеют заполненную электронами валентную зону, а ближайшая свободная зона, или зона проводимости, отгорожена от валентной энергетическим разрывом — участком запрещённых энергий электронов.

В диэлектриках тепловой энергии либо незначительного электрического поля недостаточно для совершения скачка через этот промежуток, электроны в зону проводимости не попадают. Они не способны передвигаться по кристаллической решётке и становиться переносчиками электрического тока.

Чтобы возбудить электропроводимость, электрону на валентном уровне нужно придать энергию, которой бы хватило для преодоления энергетического разрыва. Лишь при поглощении количества энергии, не меньшего, чем величина энергетического зазора, электрон перейдёт из валентного уровня на уровень проводимости.

В том случае, если ширина энергетического разрыва превышает 4 эВ, возбуждение проводимости полупроводника облучением либо нагреванием практически невозможно — энергия возбуждения электронов при температуре плавления оказывается недостаточной для прыжка через зону энергетического разрыва. При нагреве кристалл расплавится до возникновения электронной проводимости. К таким веществам относится кварц (dE = 5,2 эВ), алмаз (dE = 5,1 эВ), многие соли.

Примесная и собственная проводимость полупроводников

Чистые полупроводниковые кристаллы имеют собственную проводимость. Такие полупроводники именуются собственными. Собственный полупроводник содержит равное число дырок и свободных электронов. При нагреве собственная проводимость полупроводников возрастает. При постоянной температуре возникает состояние динамического равновесия количества образующихся электронно-дырочных пар и количества рекомбинирующих электронов и дырок, которые остаются постоянными при данных условиях.

Наличие примесей оказывает значительное влияние на электропроводность полупроводников. Добавление их позволяет намного увеличить количество свободных электронов при небольшом числе дырок и увеличить количество дырок при небольшом числе электронов на уровне проводимости. Примесные полупроводники — это проводники, обладающие примесной проводимостью.

Примеси, которые с лёгкостью отдают электроны, называются донорными. Донорными примесями могут быть химические элементы с атомами, валентные уровни которых содержат большее количество электронов, чем атомы базового вещества. Например, фосфор и висмут — это донорные примеси кремния.

Энергия, необходимая для прыжка электрона в область проводимости, носит название энергии активизации. Примесным полупроводникам необходимо намного меньше ее, чем основному веществу. При небольшом нагреве либо освещении освобождаются преимущественно электроны атомов примесных полупроводников. Место покинувшего атом электрона занимает дырка. Но рекомбинации электронов в дырки практически не происходит. Дырочная проводимость донора незначительна. Это происходит потому, что малое количество атомов примеси не позволяет свободным электронам часто приближаться к дырке и занимать её. Электроны находятся около дырок, но не способны их заполнить по причине недостаточного энергетического уровня.

Незначительная добавка донорной примеси на несколько порядков увеличивает число электронов проводимости по сравнению с количеством свободных электронов в собственном полупроводнике. Электроны здесь — основные переносчики зарядов атомов примесных полупроводников. Эти вещества относят к полупроводникам n-типа.

Примеси, которые связывают электроны полупроводника, увеличивая в нём количество дырок, называют акцепторными. Акцепторными примесями служат химические элементы с меньшим числом электронов на валентном уровне, чем у базового полупроводника. Бор, галлий, индий — акцепторные примеси для кремния.

Характеристики полупроводника находятся в зависимости от дефектов его кристаллической структуры. Это является причиной необходимости выращивания предельно чистых кристаллов. Параметрами проводимости полупроводника управляют путем добавления легирующих присадок. Кристаллы кремния легируют фосфором (элемент V подгруппы), который является донором, чтобы создать кристалл кремния n-типа. Для получения кристалла с дырочной проводимостью в кремний вводят акцептор бор. Полупроводники с компенсированным уровнем Ферми для перемещения его в середину запрещённой зоны создают подобным образом.

Одноэлементные полупроводники

Самым распространённым полупроводником является, конечно, кремний. Вместе с германием он стал прототипом широкого класса полупроводников, обладающих подобными структурами кристалла.

Si и Ge та же, что у алмаза и α-олова. В ней каждый атом окружают 4 ближайших атома, которые образуют тетраэдр. Такая координация называется четырехкратной. Кристаллы с тетрадрической связью стали базовыми для электронной промышленности и играют ключевую роль в современной технологии. Некоторые элементы V и VI группы таблицы Менделеева также являются полупроводниками. Примеры полупроводников этого типа — фосфор (Р), сера (S), селен (Se) и теллур (Те). В этих полупроводниках атомы могут иметь трехкратную (Р), двухкратную (S, Se, Те) или четырехкратную координацию. В результате подобные элементы могут существовать в нескольких различных кристаллических структурах, а также быть получены в виде стекла. Например, Se выращивался в моноклинной и тригональной кристаллических структурах или в виде стекла (которое можно также считать полимером).

Алмаз обладает отличной термической проводимостью, превосходными механическими и оптическими характеристиками, высокой механической прочностью. Ширина энергетического разрыва — dE = 5,47 эВ.

Кремний — полупроводник, используемый в солнечных батареях, а в аморфной форме — в тонкоплёночных солнечных батареях. Является наиболее используемым полупроводником в фотоэлементах, прост в производстве, обладает хорошими электрическими и механическими качествами. dE = 1,12 эВ.

Германий — полупроводник, используемый в гамма-спектроскопии, высокоэффективных фотоэлементах. Использовался в первых диодах и транзисторах. Требует меньше очистки, чем кремний. dE = 0,67 эВ.

Селен — полупроводник, который применяется в селеновых выпрямителях, обладающих высокой радиационной устойчивостью и способностью к самовосстановлению.

Двухэлементные соединения

Свойства полупроводников, образуемых элементами 3 и 4 групп таблицы Менделеева, напоминают 4 группы. Переход от 4 группы элементов к соединениям 3-4 гр. делает связи частично ионными по причине переноса заряда электронов от атома 3 группы к атому 4 группы. Ионность меняет свойства полупроводников. Она является причиной увеличения кулоновского межионного взаимодействия и энергии энергетического разрыва зонной структуры электронов. Пример бинарного соединения этого типа — антимонид индия InSb, арсенид галлия GaAs, антимонид галлия GaSb, фосфид индия InP, антимонид алюминия AlSb, фосфид галлия GaP.

Ионность возрастает, а значение её еще больше растёт в соединениях веществ 2—6 групп, таких как селенид кадмия, сульфид цинка, сульфид кадмия, теллурид кадмия, селенид цинка. В итоге у большинства соединений 2—6 групп запрещённая зона шире 1 эВ, кроме соединений ртути. Теллурид ртути — полупроводник без энергетического зазора, полуметалл, подобно α-олову.

Полупроводники 2-6 групп с большим энергетическим зазором находят применение в производстве лазеров и дисплеев. Бинарные соединения 2- 6 групп со суженным энергетическим разрывом подходят для инфракрасных приемников. Бинарные соединения элементов 1-7 групп (бромид меди CuBr, иодид серебра AgI, хлорид меди CuCl) по причине высокой ионности обладают запрещённой зоной шире З эВ. Они фактически не полупроводники, а изоляторы. Рост энергии сцепления кристалла по причине кулоновского межионного взаимодействия способствует структурированию атомов с шестикратной, а не квадратичной координацией. Соединения 4-6 групп — сульфид и теллурид свинца, сульфид олова — также полупроводники. Степень ионности данных веществ тоже содействует образованию шестикратной координации. Значительная ионность не препятствует наличию у них очень узких запрещённых зон, что позволяет использовать их для приёма ИК-излучения. Нитрид галлия — соединение 3-5 групп с широким энергетическим зазором, нашёл применение в и светодиодах, работающих в голубой части спектра.

GaAs, арсенид галлия — второй по востребованности после кремния полупроводник, обычно используемый в качестве подложки для других проводников, например, GaInNAs и InGaAs, в ИК-сетодиодах, высокочастотных микросхемах и транзисторах, высокоэффективных фотоэлементах, лазерных диодах, детекторах ядерного излечения. dE = 1,43 эВ, что позволяет повысить мощность приборов по сравнению с кремнием. Хрупок, содержит больше примесей, сложен в изготовлении.

ZnS, сульфид цинка — цинковая соль сероводородной кислоты с диапазоном запрещённой зоны 3,54 и 3,91 эВ, используется в лазерах и в качестве люминофора.

SnS, сульфид олова — полупроводник, используемый в фоторезисторах и фотодиодах, dE= 1,3 и 10 эВ.

Оксиды

Оксиды металлов преимущественно являются прекрасными изоляторами, но есть и исключения. Примеры полупроводников этого типа — оксид никеля, оксид меди, оксид кобальта, двуокись меди, оксид железа, оксид европия, оксид цинка. Так как двуокись меди существует в виде минерала куприта, её свойства усиленно исследовались. Процедура выращивания полупроводников этого типа еще не совсем понятна, поэтому их применение пока ограничено. Исключение составляет оксид цинка (ZnO), соединение 2—6 групп, применяемый в качестве преобразователя и в производстве клеящих лент и пластырей.

Положение кардинально изменилось после того, как во многих соединениях меди с кислородом была открыта сверхпроводимость. Первым высокотемпературным сверхпроводником, открытым Мюллером и Беднорцем, стало соединение, основанное на полупроводнике La 2 CuO 4 с энергетическим зазором 2 эВ. Замещая трёхвалентный лантан двухвалентным барием или стронцием, в полупроводник вводятся переносчики заряда дырки. Достижение необходимой концентрации дырок превращает La 2 CuO 4 в сверхпроводник. В данное время наибольшая температура перехода в сверхпроводящее состояние принадлежит соединению HgBaCa 2 Cu 3 O 8 . При высоком давлении её значение составляет 134 К.

ZnO, оксид цинка, используется в варисторах, голубых светодиодах, датчиках газа, биологических сенсорах, покрытиях окон для отражения инфракрасного света, как проводник в ЖК-дисплеях и солнечных батареях. dE=3.37 эВ.

Слоистые кристаллы

Двойные соединения, подобные дииодиду свинца, селениду галлия и дисульфиду молибдена, отличаются слоистым строением кристалла. В слоях действуют значительной силы, намного сильнее ван-дер-ваальсовских связей между самими слоями. Полупроводники такого типа интересны тем, что электроны ведут себя в слоях квази-двумерно. Взаимодействие слоёв изменяется введением сторонних атомов — интеркаляцией.

MoS 2, дисульфид молибдена применяется в высокочастотных детекторах, выпрямителях, мемристорах, транзисторах. dE=1,23 и 1,8 эВ.

Органические полупроводники

Примеры полупроводников на основе органических соединений — нафталин, полиацетилен (CH 2) n , антрацен, полидиацетилен, фталоцианиды, поливинилкарбазол. Органические полупроводники обладают преимуществом перед неорганическими: им легко придавать нужные качества. Вещества с сопряжёнными связями вида -С=С-С=, обладают значительной оптической нелинейностью и, благодаря этому, применяются в оптоэлектронике. Кроме того, зоны энергетического разрыва органических полупроводников изменяются изменением формулы соединения, что намного легче, чем у обычных полупроводников. Кристаллические аллотропы углерода фуллерен, графен, нанотрубки — тоже полупроводниками.

Фуллерен имеет структуру в виде выпуклого замкнутого многогранника из чётного количества атомов углеорода. А легирование фуллерена С 60 щелочным металлом превращает его в сверхпроводник.

Графен образован одноатомным слоем углерода, соединённого в двумерную гексагональную решётку. Обладает рекордной теплопроводностью и подвижностью электронов, высокой жёсткостью

Нанотрубки представляют собой свернутые в трубку пластины графита, имеющие несколько нанометров в диаметре. Эти формы углерода имеют большую перспективу в наноэлектронике. В зависимости от сцепления могут проявлять металлические или полупроводниковые качества.

Магнитные полупроводники

Соединения с магнитными ионами европия и марганца обладают любопытными магнитными и полупроводниковыми свойствами. Примеры полупроводников этого типа — сульфид европия, селенид европия и твёрдые растворы, подобные Cd 1-x- Mn x Te. Содержание магнитных ионов влияет на то, как в веществах проявляются такие магнитные свойства, как антиферромагнетизм и ферромагнетизм. Полумагнитные полупроводники — это твёрдые магнитные растворы полупроводников, которые содержат магнитные ионы в небольшой концентрации. Такие твёрдые растворы обращают на себя внимание своей перспективностью и большим потенциалом возможных применений. Например, в отличие от немагнитных полупроводников, в них можно достигнуть в миллион раз большего фарадеевского вращения.

Сильные магнитооптические эффекты магнитных полупроводников позволяют использовать их для оптической модуляции. Перовскиты, подобные Mn 0,7 Ca 0,3 O 3, своими свойствами превосходят переход металл-полупроводник, прямая зависимость которого от магнитного поля имеет следствием явление гигантской магнето-резистивности. Применяются в радиотехнических, оптических приборах, которые управляются магнитным полем, в волноводах СВЧ-устройств.

Полупроводниковые сегнетоэлектрики

Этот тип кристаллов отличается наличием в них электрических моментов и возникновением спонтанной поляризации. Например, такими свойствами обладают полупроводники титанат свинца PbTiO 3 , титанат бария BaTiO 3 , теллурид германия GeTe, теллурид олова SnTe, которые при низких температурах имеют свойства сегнетоэлектрика. Эти материалы применяются в нелинейно-оптических, запоминающих устройствах и пьезодатчиках.

Разнообразие полупроводниковых материалов

Помимо упомянутых выше полупроводниковых веществ, есть много других, которые не попадают ни под один из перечисленных типов. Соединения элементов по формуле 1-3-5 2 (AgGaS 2) и 2-4-5 2 (ZnSiP 2) образуют кристаллы в структуре халькопирита. Связи соединений тетраэдрические, аналогично полупроводникам 3-5 и 2-6 групп с кристаллической структурой цинковой обманки. Соединения, которые образуют элементы полупроводников 5 и 6 групп (подобно As 2 Se 3), — полупроводниковые в форме кристалла или стекла. Халькогениды висмута и сурьмы используются в полупроводниковых термоэлектрических генераторах. Свойства полупроводников этого типа чрезвычайно интересны, но они не обрели популярность по причине ограниченного применения. Однако то, что они существуют, подтверждает наличие ещё до конца не исследованных областей физики полупроводников.

Твёрдые тела — это металлы, полупроводники и диэлектрики. Они отличаются друг от друга по своим электронным свойствам. Электропроводность твёрдых тел определяется свойствами электронов.

Определение

Полупроводники относятся к металлам, к твердым телам. К их числу принадлежат германий, кремний, мышьяк и др., а также различные сплавы и химические соединения.

Металлы — это твердые тела, которые имеют определенную структуру.

Сравнение

Рассмотрим, как возникает электрический ток в полупроводниках. У атомов германия на внешней оболочке находятся четыре слабо связанных валентных электрона. В кристаллической решетке около каждого атома находятся еще четыре. Атомы в кристалле полупроводника связаны парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам. Если происходит повышение температуры, какая-то часть валентных электронов получит энергию, которая достаточна для разрыва ковалентных связей. В кристалле появятся свободные электроны, называемые электронами проводимости. Одновременно на месте ушедших электронов образуются вакансии, дырки. Вакантное место могут занять валентные электроны соседней пары, тогда дырка будет на новом месте в кристалле. При определенной температуре в полупроводнике существует определенное количество электронно-дырочных пар. Свободный электрон, встречаясь с дыркой, восстанавливает электронную связь. Дырки похожи на положительно заряженные частицы. Если электрического поля нет, дырки и электроны проводимости движутся хаотично. Если полупроводник поместим в электрическое поле, то дырки и свободные электроны начнут двигаться упорядоченно. Поэтому ток в полупроводнике складывается из электронного и дырочного токов. Количество носителей свободного заряда меняется, не остается постоянным и зависит от температуры. При ее увеличении сопротивление полупроводников возрастает.

Металлы имеют кристаллическую структуру. Они состоят из молекул и атомов, которые занимают определённое, упорядоченное положение. Металл представляется в виде кристаллической решетки, в узлах которой находятся атомы, или ионы, или молекулы, которые колеблются около своего местоположения. Между ними в пространстве находятся свободные электроны, которые хаотично движутся в разных направлениях. Но при появлении электрического поля они начинают двигаться упорядоченно в сторону положительного полюса, в металлах появляется электрический ток. Количество электронов постоянное. При понижении температуры скорость движения электронов замедляется, сопротивление металлов падает.

Выводы сайт

  1. Полупроводники отличаются от металлов механизмом электрического тока.
  2. Электрический ток в металлах — это направленное движение электронов.
  3. У чистых полупроводников электронно-дырочный механизм проводимости.
  4. Удельное сопротивление полупроводников и металлов зависит от температуры по-разному.

Все вещества состоят из молекул, молекулы из атомов, атомы из положительно заряженных ядер вокруг которых располагаются отрицательные электроны. При определенных условиях электроны способны покидать свое ядро и передвигаться к соседним. Сам атом при этом становится положительно заряженным, а соседний получает отрицательный заряд. Передвижение отрицательных и положительных зарядов под действием электрического поля получило название электрического тока.

В зависимости от свойства материалов проводить электрический ток их делят на:

  1. Полупроводники.

Свойства проводников

Проводники отличаются хорошей электропроводностью . Это связано с наличием у них большого количества свободных электронов не принадлежащих конкретно ни одному из атомов, которые под действием электрического поля могут свободно перемещаться.

Большинство проводников имеют малое удельное сопротивление и проводят электрический ток с очень небольшими потерями. В связи с тем, что идеально чистых по химическому составу элементов в природе не существует, любой материал в своем составе содержит примеси. Примеси в проводниках занимают места в кристаллической решетке и, как правило, препятствуют прохождению свободных электронов под действием приложенного напряжения.

Примеси ухудшают свойства проводника. Чем больше примесей, тем сильнее они влияю на параметры проводимости.

Хорошими проводниками с малым удельным сопротивлением являются такие материалы:

  • Золото.
  • Серебро.
  • Медь.
  • Алюминий.
  • Железо.

Золото и серебро – хорошие проводники, но из-за высокой стоимости применяются там, где необходимо получить хорошие качественные проводники с малым объемом. Это в основном электронные схемы, микросхемы, проводники высокочастотных устройств у которых сам проводник изготовлен из дешевого материала (медь), который сверху покрыт тонким слоем серебра или золота. Это дает возможности при минимальном расходе драгоценного металла хорошие частотные характеристики проводника.

Медь и алюминий — более дешевые металлы. При незначительном снижении характеристик этих материалов, их цена на порядки ниже, что дает возможность для их массового применения. Применяют в электронике, в электротехнике. В электронике – это дорожки печатных плат, ножки радиоэлементов, радиаторы и др. В электротехнике очень широко применяется в обмотках двигателей, для прокладки электрических сетей высокого и низкого напряжения, разводку электричества в квартирах, домах, в транспорте.

Параметр проводимости очень сильно зависит от температуры самого материала. При увеличении температуры кристалла, колебания электронов в кристаллической решетке увеличивается, препятствуя свободному прохождению свободных электронов. При снижении – наоборот, сопротивление уменьшается и при некотором значении близком к абсолютному нулю, сопротивление становится нулевым и возникает эффект сверхпроводимости.

Свойства диэлектриков

Диэлектрики в своей кристаллической решетке содержат очень мало свободных электронов , способных переносить заряде под действием электрического поля. В связи с этим при создании разности потенциалов на диэлектрике, ток, проходящий через него такой незначительный, что считается равным нулю — диэлектрик не проводит электрический ток. Наряду с этим, примеси, содержащиеся в любом диэлектрике, как правило, ухудшают его диэлектрические свойства. Ток, проходящий через диэлектрик под действием приложенного напряжения в основном определяется количеством примесей.

Наибольшее распространение диэлектрики получили в электротехнике там, где необходимо защитить обслуживающий персонал от вредного воздействия электрического тока. Это изолирующие ручки разных приборов, устройств измерительной техники. В электронике – прокладки конденсаторов, изоляция проводов, диэлектрические прокладки необходимые для теплоотвода активных элементов, корпуса приборов.

Полупроводники – материалы, которые проводят электричество при определенных условиях, в другом случае ведут себя как диэлектрики.

Таблица: чем отличаются проводники и диэлектрики?

Диэлектрик
Наличие свободных электронов Присутствуют в большом количестве Отсутствуют, или присутствуют, но очень мало
Способность материалов проводить электрический ток Хорошо проводит Не проводит, или ток незначительно мал
Что происходит при увеличении приложенного напряжение Ток, проходящий через проводник, увеличивается согласно закону Ома Ток, проходящий через диэлектрик изменяется незначительно и, при достижения определенного значения, происходит электрический пробой
Материалы Золото, серебро, медь и ее сплавы, алюминий и сплавы, железо и другие Эбонит, фторопласт, резина, слюда, различные пластмассы, полиэтилен и другие материалы
Сопротивление от 10 -5 до 10 -8 степени Ом/м 10 10 – 10 16 Ом/м
Влияние посторонних примесей на сопротивление материала Примеси ухудшают свойство проводимости материала, что ухудшает его свойства Примеси улучшают проводимость материала, что ухудшает его свойства
Изменение свойств при изменении температуры окружающей среды При увеличении температуры – сопротивление увеличивается, при снижении – уменьшается. При очень низких температурах – сверхпроводимость. При увеличении температуры – сопротивление уменьшается.

1. Свойства полупроводников: Hitachi High-Tech GLOBAL

Название «полупроводник» широко известно, но что такое полупроводники?
Полупроводники обладают определенными электрическими свойствами. Вещество, проводящее электричество, называется проводником, а вещество, не проводящее электричество, называется изолятором. Полупроводники — это вещества со свойствами где-то между ними.
Электрические свойства могут быть обозначены удельным сопротивлением.Такие проводники, как золото, серебро и медь, имеют низкое сопротивление и легко проводят электричество. Изоляторы, такие как резина, стекло и керамика, обладают высоким сопротивлением и плохо пропускают электричество. Полупроводники обладают чем-то средним по свойствам. Их удельное сопротивление может изменяться, например, в зависимости от температуры. При низкой температуре через них почти не проходит электричество. Но при повышении температуры электричество через них легко проходит.
Полупроводники, почти не содержащие примесей, почти не проводят электричество.Но когда к полупроводникам добавляются какие-то элементы, электричество легко проходит через них.
Полупроводники, состоящие из одного элемента, называются элементарными полупроводниками, включая знаменитый полупроводниковый материал кремний. С другой стороны, полупроводники, состоящие из двух или более соединений, называются составными полупроводниками и используются в полупроводниковых лазерах, светодиодах и т. Д.

Энергетический диапазон

Атом состоит из ядра и электронов, вращающихся вокруг ядра.
Электроны не могут вращаться вокруг ядра на любом расстоянии в атомном пространстве, окружающем ядро, но разрешены только определенные, очень специфические орбиты, и они существуют только на определенных дискретных уровнях. Эти энергии называются энергетическими уровнями. Большое количество атомов собирается в кристалл и взаимодействует в твердом материале, а затем энергетические уровни становятся настолько близко расположенными, что образуют полосы. Это энергетическая полоса.
Металлы, полупроводники и изоляторы отличаются друг от друга своей зонной структурой.Их ленточная структура показана на рисунке ниже.

В металлах зона проводимости и валентная зона очень близки друг к другу и могут даже перекрываться, причем энергия Ферми (Ef) находится где-то внутри. Это означает, что в металле всегда есть электроны, которые могут свободно перемещаться и поэтому всегда могут проводить ток. Такие электроны известны как свободные электроны. Эти свободные электроны ответственны за ток, протекающий через металл.

В полупроводниках и изоляторах валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной энергетической щелью (Eg) достаточной ширины, а энергия Ферми (Ef) находится между валентной зоной и зоной проводимости.Чтобы попасть в зону проводимости, электрон должен набрать достаточно энергии, чтобы перескочить через запрещенную зону. Как только это будет сделано, можно будет проводить.

В полупроводниках при комнатной температуре ширина запрещенной зоны меньше, тепловой энергии достаточно, чтобы позволить электронам довольно легко перепрыгивать через зазор и переходить в зону проводимости, учитывая ограниченную проводимость полупроводника. При низкой температуре ни один электрон не обладает достаточной энергией, чтобы занять зону проводимости, и поэтому движение заряда невозможно.При абсолютном нуле полупроводники являются идеальными изоляторами. Плотность электронов в зоне проводимости при комнатной температуре не так высока, как в металлах, поэтому они не могут проводить ток так же хорошо, как металл. Электропроводность полупроводника не такая высокая, как у металла, но и не такая плохая, как у электрического изолятора. Именно поэтому этот вид материала называется полупроводником — значит полупроводник.

Ширина запрещенной зоны изоляторов велика, поэтому очень немногие электроны могут перепрыгнуть через нее. Следовательно, ток в изоляторах не течет легко.Разница между изоляторами и полупроводниками заключается в величине запрещенной зоны. В изоляторе, где запрещенная зона очень велика, и в результате энергия, необходимая электрону для перехода в зону проводимости, практически достаточно велика. Изоляторы плохо проводят электричество. Это означает, что электрическая проводимость изолятора очень низкая.

Полупроводниковый кристалл, используемый для ИС и т. Д., Представляет собой монокристаллический кремний высокой чистоты с содержанием 99,999999999%, но при фактическом создании схемы добавляются примеси для контроля электрических свойств.В зависимости от добавленных примесей они становятся полупроводниками n-типа и p-типа.

Пятивалентный фосфор (P) или мышьяк (As) добавляют в кремний высокой чистоты для полупроводников n-типа. Эти примеси называются донорами. Энергетический уровень донора расположен близко к зоне проводимости, то есть запрещенная зона мала. Затем электроны на этом уровне энергии легко возбуждаются в зону проводимости и вносят свой вклад в проводимость.

С другой стороны, трехвалентный бор (B) и т. Д.добавлен к полупроводнику p-типа. Это называется акцептором. Уровень энергии акцептора близок к валентной зоне. Поскольку здесь нет электронов, здесь возбуждаются электроны валентной зоны. В результате в валентной зоне образуются дырки, которые вносят вклад в проводимость.

Название «полупроводник» широко известно, но что такое полупроводники?
Полупроводники обладают определенными электрическими свойствами. Вещество, проводящее электричество, называется проводником, а вещество, не проводящее электричество, называется изолятором.Полупроводники — это вещества со свойствами где-то между ними.
Электрические свойства могут быть обозначены удельным сопротивлением. Такие проводники, как золото, серебро и медь, имеют низкое сопротивление и легко проводят электричество. Изоляторы, такие как резина, стекло и керамика, обладают высоким сопротивлением и плохо пропускают электричество. Полупроводники обладают чем-то средним по свойствам. Их удельное сопротивление может изменяться, например, в зависимости от температуры. При низкой температуре через них почти не проходит электричество.Но при повышении температуры электричество через них легко проходит.
Полупроводники, почти не содержащие примесей, почти не проводят электричество. Но когда к полупроводникам добавляются какие-то элементы, электричество легко проходит через них.
Полупроводники, состоящие из одного элемента, называются элементарными полупроводниками, включая знаменитый полупроводниковый материал кремний. С другой стороны, полупроводники, состоящие из двух или более соединений, называются составными полупроводниками и используются в полупроводниковых лазерах, светодиодах и т. Д.

Энергетический диапазон

Атом состоит из ядра и электронов, вращающихся вокруг ядра.
Электроны не могут вращаться вокруг ядра на любом расстоянии в атомном пространстве, окружающем ядро, но разрешены только определенные, очень специфические орбиты, и они существуют только на определенных дискретных уровнях. Эти энергии называются энергетическими уровнями. Большое количество атомов собирается в кристалл и взаимодействует в твердом материале, а затем энергетические уровни становятся настолько близко расположенными, что образуют полосы.Это энергетическая полоса.
Металлы, полупроводники и изоляторы отличаются друг от друга своей зонной структурой. Их ленточная структура показана на рисунке ниже.

В металлах зона проводимости и валентная зона очень близки друг к другу и могут даже перекрываться, причем энергия Ферми (Ef) находится где-то внутри. Это означает, что в металле всегда есть электроны, которые могут свободно перемещаться и поэтому всегда могут проводить ток. Такие электроны известны как свободные электроны.Эти свободные электроны ответственны за ток, протекающий через металл.

В полупроводниках и изоляторах валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной энергетической щелью (Eg) достаточной ширины, а энергия Ферми (Ef) находится между валентной зоной и зоной проводимости. Чтобы попасть в зону проводимости, электрон должен набрать достаточно энергии, чтобы перескочить через запрещенную зону. Как только это будет сделано, можно будет проводить.

В полупроводниках при комнатной температуре ширина запрещенной зоны меньше, тепловой энергии достаточно, чтобы позволить электронам довольно легко перепрыгивать через зазор и переходить в зону проводимости, учитывая ограниченную проводимость полупроводника.При низкой температуре ни один электрон не обладает достаточной энергией, чтобы занять зону проводимости, и поэтому движение заряда невозможно. При абсолютном нуле полупроводники являются идеальными изоляторами. Плотность электронов в зоне проводимости при комнатной температуре не так высока, как в металлах, поэтому они не могут проводить ток так же хорошо, как металл. Электропроводность полупроводника не такая высокая, как у металла, но и не такая плохая, как у электрического изолятора. Именно поэтому этот вид материала называется полупроводником — значит полупроводник.

Ширина запрещенной зоны изоляторов велика, поэтому очень немногие электроны могут перепрыгнуть через нее. Следовательно, ток в изоляторах не течет легко. Разница между изоляторами и полупроводниками заключается в величине запрещенной зоны. В изоляторе, где запрещенная зона очень велика, и в результате энергия, необходимая электрону для перехода в зону проводимости, практически достаточно велика. Изоляторы плохо проводят электричество. Это означает, что электрическая проводимость изолятора очень низкая.

Полупроводниковый кристалл, используемый для ИС и т. Д., Представляет собой монокристаллический кремний высокой чистоты с содержанием 99,999999999%, но при фактическом создании схемы добавляются примеси для контроля электрических свойств. В зависимости от добавленных примесей они становятся полупроводниками n-типа и p-типа.

Пятивалентный фосфор (P) или мышьяк (As) добавляют в кремний высокой чистоты для полупроводников n-типа. Эти примеси называются донорами. Энергетический уровень донора расположен близко к зоне проводимости, то есть запрещенная зона мала.Затем электроны на этом уровне энергии легко возбуждаются в зону проводимости и вносят свой вклад в проводимость.

С другой стороны, трехвалентный бор (B) и т. Д. Добавляется в полупроводник p-типа. Это называется акцептором. Уровень энергии акцептора близок к валентной зоне. Поскольку здесь нет электронов, здесь возбуждаются электроны валентной зоны. В результате в валентной зоне образуются дырки, которые вносят вклад в проводимость.

Полупроводник

— Свойства, типы и применение — pnpntransistor

Мы все можем правильно послушать слово «полупроводники» !!! Здесь мы собираемся перейти к подробной статье, посвященной свойствам, типам и использованию полупроводников.Чтобы понять свойства полупроводникового материала , мы должны знать некоторые фундаментальные знания, связанные с полупроводниковым материалом. Мы также знаем типов полупроводников и использования полупроводников.

Итак, мы будем учиться шаг за шагом для лучшего понимания.

Что такое полупроводниковый материал?

Проще говоря, полупроводник — это вещество, которое имеет удельное сопротивление между проводником и изолятором. В общем, проводник имеет очень низкое удельное сопротивление, а изолятор — почти бесконечное удельное сопротивление.От (-4) до 0,5 Ом · м.

После изобретения транзистора, использующего полупроводниковые материалы, он заменил почти все электронные лампы. Из-за некоторых полезных свойств полупроводниковых материалов создается много электронных устройств, которые чрезвычайно полезны в электрических цепях. Диод, транзистор, MOSFET, TRIAC, DIAC и некоторые другие устройства являются примерами использования полупроводников.

Обратите внимание, что полупроводник не зависит только от удельного сопротивления. Полупроводники обладают некоторыми свойствами, которые мы сейчас изучим.

Каковы свойства полупроводников?

Все основные свойства полупроводникового материала перечислены ниже:

⇒ Удельное сопротивление полупроводникового материала больше, чем у изолятора, и меньше, чем у проводника.

⇒ Полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления , т.е. сопротивление полупроводника уменьшается с повышением температуры и наоборот . Например, германий на самом деле является изолятором при низких температурах, но он становится хорошим проводником при высоких температурах.

⇒ Когда в полупроводник добавляется подходящая металлическая примесь (, например, мышьяк, галлий и т. Д.), Его токопроводящие свойства заметно изменяются.

Электрические свойства полупроводника : полупроводники в нейтральном состоянии ведут себя как плохие проводники, но есть некоторые методы протекания тока через полупроводники. Легируя полупроводник, он ведет себя как проводящий материал и позволяет току проходить через него.

⇒ В некоторых полупроводниках возбужденные электроны могут релаксировать, излучая свет вместо выделения тепла.Эти полупроводники используются при изготовлении светодиода. что является оптическим свойством полупроводника.

Мы можем лучше понять свойства полупроводника по энергетической полосе.

Энергетическая зона для полупроводников

Полупроводники — это материалы, проводимость которых находится между проводником и изолятором. Мы можем понять это с помощью теории энергетических зон. В полупроводниках энергетическая зона почти заполнена, а зона проводимости почти пуста. Нам требуется некоторая энергия для перемещения электронов из валентной зоны в зону проводимости.

В полупроводнике запрещенная зона очень мала, как показано на рисунке. [В изоляционном материале запрещенная зона настолько велика, что электрон не может пройти через нее. В проводниках валентная зона и зона проводимости перекрывают друг друга, что означает отсутствие зазора между ними.] Короче говоря, полупроводник имеет

  • Тесьма с набивкой
  • Пустая зона проводимости
  • Малая запрещенная зона (около 1 эВ)

При низкой температуре валентная зона полупроводника полностью заполнена, а зона проводимости пуста, поэтому он ведет себя как изолятор или плохой проводник.При высокой температуре или даже при комнатной температуре часть электронов переходит в зону проводимости из валентной зоны. Они увеличивают проводимость полупроводника. С повышением температуры проводимость полупроводника увеличивается.

Влияние температуры на полупроводник

Электропроводность полупроводникового материала изменяется при изменении температуры. Это может быть важным моментом для полупроводникового материала. Здесь мы подробно рассмотрим влияние температуры на полупроводник.Мы увидим влияние на полупроводник с двумя температурами.

1. При температуре абсолютного нуля : При температуре абсолютного нуля все электроны прочно удерживаются атомами полупроводника. При этой температуре ковалантные связи настолько сильны, что отсутствуют свободные электроны. Следовательно, полупроводниковый кристалл при этой температуре ведет себя как изолятор.

2. При температуре выше абсолютного нуля : Когда температура повышается, некоторые ковалантные связи разрываются из-за тепловой энергии.Разрыв связей создает свободные электроны. Таким образом, в полупроводнике существует несколько электронов, которые могут протекать через него. Это также называется «с повышением температуры сопротивление полупроводника уменьшается».

Обычно используемые полупроводниковые материалы

Доступно множество полупроводников, но некоторые из них имеют практическое применение в электронике. Кремний (Se) и германий (Ge) — широко используемые полупроводники. Эти полупроводники широко используются, потому что энергия, необходимая этим двум материалам для высвобождения электронов из их валентной зоны, слишком мала.Кремнию требуется 1,1 эВ, а германию — 0,7 эВ для высвобождения электрона из зоны проводимости. Кремний и германий — основные примеры полупроводников.

Вы также можете обратиться к этой книге в формате pdf по энергосистеме для дальнейшего изучения. Скачать — vk Mehta book pdf

Виды полупроводников

Полупроводники обычно делятся на два типа:

  • Собственные полупроводники
  • Внешний полупроводник

Теперь подробно рассмотрим типы полупроводников.

Внутренний полупроводник

Полупроводник в очень чистой форме называется внутренним полупроводником.

В собственном полупроводнике электронно-дырочная пара создается даже при комнатной температуре. В этом типе полупроводников, когда напряжение, приложенное между этим материалом, ток проходит через материал из-за свободных электронов и дырок. Вы можете обратиться к этому рисунку.

Свободные электроны образуются из-за разрыва ковалантной связи под действием тепловой энергии.В то же время в ленте соваланса создаются дыры. Следовательно, полный ток, проходящий через полупроводник, представляет собой сумму тока, обусловленного электронами и дырками.

Ток, протекающий по внешнему проводу, зависит только от электрона. Вы можете подумать, а что насчет дыр? Верно!!!. Для этого обратитесь к рисунку выше, положительно заряженные дырки движутся к отрицательному выводу B. Когда дырки достигают отрицательного вывода, электроны входят в отверстия, тем самым нейтрализуя их. В то же время на клемме A электроны притягиваются от атома к клемме аккумулятора.Следовательно, на клемме A создаются новые отверстия, и этот процесс повторяется. Таким образом, основным свойством собственного полупроводника является то, что ток проходит через этот тип полупроводника как дырками, так и электронами.

Внешний полупроводник

Собственные полупроводники имеют плохую проводимость при комнатной температуре. Для увеличения их проводимости в полупроводниковый материал добавляются примеси. Этот тип полупроводников, содержащих примеси, называется примесным полупроводником.

Процесс добавления примесей в полупроводник называется легированием. Основная цель этого — увеличить количество электронов или дырок в кристалле полупроводника. В зависимости от добавленных примесей можно выбрать полупроводник p-типа или n-типа.

Когда в полупроводниковый материал добавляется пятивалентная примесь, в полупроводнике образуется большое количество свободных электронов. Этот тип полупроводников называют полупроводниками n-типа. Вы также можете указать разницу между полупроводниковым материалом p-типа и n-типа.

Когда трехвалентная примесь добавляется к полупроводниковому материалу, в полупроводнике создаются дыры. Этот тип полупроводника называется полупроводником n-типа.

Итак, свойство внешнего полупроводника состоит в том, что ток проходит через полупроводник только электронами.

Использование полупроводников

Полупроводники чрезвычайно полезны в производстве электронных устройств. Полупроводники используются для изготовления диодов, BJT, MOSFET, фотоэлементов, UJT, JFET, TRIAC, DIAC и многих других.Транзистор, состоящий из полупроводника, широко используется в качестве электрического переключателя в схемах. Он также используется в цепи усилителя. Полупроводники используются в солнечной технологии. Датчик температуры, который используется в кондиционерах, изготовлен из полупроводниковых приборов. Вы должны проверить это подробно — применение полупроводника

Заключение

Надеюсь, вы знаете все об основных свойствах и типах полупроводников. Мы видели, что полупроводник — это материал, проводимость которого находится между проводником и изолятором.Полупроводники имеют плохую проводимость при низкой температуре. С повышением температуры увеличивается проводимость материала. Кремний и германий (Ge) — обычные полупроводники, которые широко используются в электронике.

Мы можем легко контролировать проводимость полупроводникового материала, что полезно для изготовления из него таких устройств. Диод, транзистор, полевой МОП-транзистор, фотоэлемент и другие устройства изготовлены из полупроводниковых материалов. Мы видели типы полупроводников. Собственные полупроводники — это чистые полупроводники, а внешний полупроводник — это полупроводники, которые содержат некоторые примеси.

Надеюсь, вам понравилась эта статья. Если у вас есть какие-либо сомнения относительно свойств полупроводника и типов полупроводников, просьба прокомментировать их ниже. Мы также видели использование полупроводников, которые помогут вам больше узнать о полупроводниках.

Продолжить чтение

Что такое полупроводник — Свойства полупроводников

Силициновый полосовой детектор Источник: micronsemiconductor.co.uk

В общем, полупроводники — это материалы, неорганические или органические, которые могут контролировать свою проводимость в зависимости от химической структуры, температуры, освещенности и т. Д. и наличие легирующих добавок.Название «Полупроводник » происходит от того факта, что эти материалы имеют электрическую проводимость между проводимостью металла, такого как медь, золото и т. Д., И изолятора, такого как стекло. У них ширина запрещенной зоны меньше 4 эВ (около 1 эВ). В физике твердого тела эта запрещенная зона представляет собой энергетический диапазон между валентной зоной и зоной проводимости, где электронные состояния запрещены. В отличие от проводников, электроны в полупроводнике должны получать энергию (например,от ионизирующего излучения), чтобы пересечь запрещенную зону и достичь зоны проводимости. Свойства полупроводников определяются шириной запрещенной зоны между валентной зоной и зоной проводимости. Чтобы понять, что такое полупроводник, мы должны дать определение этим терминам.

Свойства полупроводников

Чтобы понять разницу между металлическими , полупроводниками и электрическими изоляторами , мы должны определить следующие термины из физики твердого тела:

  • Валентная зона .В физике твердого тела валентная зона и зона проводимости являются зонами, ближайшими к уровню Ферми и, таким образом, определяют электропроводность твердого тела. В электрических изоляторах и полупроводниках валентная зона — это самый высокий диапазон энергий электронов, в котором электроны обычно присутствуют при абсолютной нулевой температуре. Например, атом кремния имеет четырнадцать электронов. В основном состоянии они расположены в электронной конфигурации [Ne] 3s 2 3p 2 .Из них четыре являются валентными электронами , занимающими 3s-орбиталь и две из 3p-орбиталей. Различие между валентной зоной и зоной проводимости не имеет смысла в металлах, потому что проводимость происходит в одной или нескольких частично заполненных зонах, которые приобретают свойства как валентной зоны, так и зоны проводимости.
  • Проводящая лента . В физике твердого тела валентная зона и зона проводимости являются зонами, ближайшими к уровню Ферми, и, таким образом, определяют электропроводность твердого тела.В электрических изоляторах и полупроводниках зона проводимости является самым низким диапазоном из свободных электронных состояний . На графике электронной зонной структуры материала валентная зона расположена ниже уровня Ферми, а зона проводимости расположена выше него. В полупроводниках электроны могут достигать зоны проводимости, когда они возбуждены , например, ионизирующим излучением (т.е. они должны получать энергию выше E зазор ).Например, алмаз — это широкозонный полупроводник (E gap = 5,47 эВ) с высоким потенциалом в качестве материала электронного устройства во многих устройствах. С другой стороны, германий имеет небольшую ширину запрещенной зоны (E gap = 0,67 эВ), что требует работы детектора при криогенных температурах. Различие между валентной зоной и зоной проводимости не имеет смысла в металлах, потому что проводимость происходит в одной или нескольких частично заполненных зонах, которые приобретают свойства как валентной зоны, так и зоны проводимости.
  • Ширина полосы . В физике твердого тела запрещенная зона или запрещенная зона — это энергетический диапазон между валентной зоной и зоной проводимости, где электронные состояния запрещены. В отличие от проводников, электроны в полупроводнике должны получать энергию (например, от ионизирующего излучения), чтобы пересечь запрещенную зону и достичь зоны проводимости. Зазоры , естественно, различаются для разных материалов. Например, алмаз — это широкозонный полупроводник (E gap = 5.47 эВ) с высоким потенциалом в качестве материала электронного устройства во многих устройствах. С другой стороны, германий имеет небольшую ширину запрещенной зоны (E gap = 0,67 эВ), что требует работы детектора при криогенных температурах.
  • Уровень Ферми . Термин «уровень Ферми» происходит от статистики Ферми-Дирака , которая описывает распределение частиц по энергетическим состояниям в системах, состоящих из фермионов (электронов), которые подчиняются принципу исключения Паули. Поскольку они не могут существовать в идентичных энергетических состояниях, уровень Ферми — это термин, используемый для описания верхней части набора из уровней энергии электронов при абсолютной нулевой температуре.Уровень Ферми — это поверхность моря Ферми при абсолютном нуле, где у электронов не будет достаточно энергии, чтобы подняться над поверхностью. В металлах уровень Ферми лежит в гипотетической зоне проводимости, в которой возникают свободные электроны проводимости. В полупроводниках уровень Ферми находится внутри запрещенной зоны, примерно посередине запрещенной зоны.
  • Электронно-дырочная пара . В полупроводнике свободных носителей заряда — это электронов и электронных дырок (электронно-дырочные пары).Электроны и дырки создаются путем возбуждения электрона из валентной зоны в зону проводимости. Электронная дырка (часто называемая просто дыркой) — это отсутствие электрона в том месте, где он мог бы существовать в атоме или атомной решетке. Это один из двух типов носителей заряда, ответственных за создание электрического тока в полупроводниковых материалах. Поскольку в нормальном атоме или кристаллической решетке отрицательный заряд электронов уравновешивается положительным зарядом атомных ядер, отсутствие электрона оставляет чистый положительный заряд в месте расположения дыры.Положительно заряженные дырки могут перемещаться от атома к атому в полупроводниковых материалах, когда электроны покидают свои позиции. Когда электрон встречается с дыркой, они рекомбинируют, и эти свободные носители эффективно исчезают. Рекомбинация означает, что электрон, который был возбужден из валентной зоны в зону проводимости, возвращается в пустое состояние в валентной зоне, известное как дырки.

Проводимость полупроводника может быть смоделирована в терминах зонной теории твердых тел .Зонная модель полупроводника предполагает, что при обычных температурах существует конечная вероятность того, что электроны могут достичь зоны проводимости и внести свой вклад в электрическую проводимость. В полупроводнике свободные носители заряда (электронно-дырочные пары) создаются путем возбуждения электрона из валентной зоны в зону проводимости. Это возбуждение оставило дыру в валентной зоне, которая ведет себя как положительный заряд, и создается электронно-дырочная пара. Иногда отверстия могут сбивать с толку, поскольку они не являются физическими частицами в отличие от электронов, а скорее представляют собой отсутствие электрона в атоме. Дырки могут перемещаться от атома к атому. в полупроводниковых материалах, когда электроны покидают свои позиции.

Электронное возбуждение в полупроводниках

Энергия для возбуждения может быть получена разными способами.

Thermal Excitation

Электронно-дырочные пары также постоянно генерируются за счет тепловой энергии при отсутствии какого-либо внешнего источника энергии. Для теплового возбуждения не требуется никакой другой формы пускового импульса. Это явление происходит также при комнатной температуре.Это вызвано примесями, неоднородностью кристаллической решетки или легирующей добавкой. Оно сильно зависит от зазора E (расстояния между валентной зоной и зоной проводимости), так что для более низкого зазора E количество термически возбужденных носителей заряда увеличивается. Поскольку тепловое возбуждение приводит к шуму детектора, для некоторых типов полупроводников (например, германия) требуется активное охлаждение. Детекторы на основе кремния обладают достаточно низким уровнем шума даже при комнатной температуре. Это вызвано большой шириной запрещенной зоны кремния (Egap = 1.12 эВ), что позволяет нам эксплуатировать детектор при комнатной температуре, но для уменьшения шума предпочтительнее охлаждение.

Оптическое возбуждение

Обратите внимание, что энергия одного фотона видимого светового спектра сравнима с этими значениями ширины запрещенной зоны. Фотоны с длинами волн 700–400 нм имеют энергию 1,77 эВ 3,10 эВ. В результате видимый свет также может возбуждать электроны в зону проводимости. Собственно, это принцип фотоэлектрических панелей, вырабатывающих электрический ток.

Возбуждение ионизирующим излучением

Электроны могут достигать зоны проводимости, когда они возбуждены ионизирующим излучением (т.е.е. они должны получать энергию выше, чем Egap). В общем, тяжелые заряженные частицы передают энергию главным образом:

  • Возбуждением. Заряженная частица может передавать энергию атому, поднимая электроны на более высокие энергетические уровни.
  • Ионизация. Ионизация может произойти, когда заряженная частица имеет достаточно энергии, чтобы удалить электрон. Это приводит к созданию ионных пар в окружающем веществе.

Удобной переменной, описывающей ионизационные свойства окружающей среды, является тормозная способность .Классическое выражение, описывающее удельные потери энергии, известно как формула Бете. Для альфа-частиц и более тяжелых частиц тормозная способность большинства материалов очень высока для тяжелых заряженных частиц, и эти частицы имеют очень короткие пробеги.

В дополнение к этим взаимодействиям бета-частицы также теряют энергию из-за радиационного процесса, известного как тормозное излучение . Согласно классической теории, когда заряженная частица ускоряется или замедляется, она должна излучать энергию , а тормозящее излучение известно как тормозное излучение («тормозное излучение») .

Фотоны (гамма-лучи и рентгеновские лучи) могут ионизировать атомы напрямую (несмотря на то, что они электрически нейтральны) посредством фотоэлектрического эффекта и эффекта Комптона, но вторичная (непрямая) ионизация гораздо более значима. Хотя известно большое количество возможных взаимодействий, существует три основных механизма взаимодействия с веществом.

Во всех случаях частица ионизирующего излучения выделяет часть своей энергии на своем пути. Частица, проходящая через детектор, ионизирует атомы полупроводника, образуя электронно-дырочных пар .Например, типичная толщина кремниевого детектора составляет около 300 мкм, поэтому количество пар электрон-дырка, генерируемых минимальной ионизирующей частицей (МИП), проходящей перпендикулярно через детектор, составляет около 3,2 x 10 4 . Эта величина незначительна по сравнению с общим количеством свободных носителей в собственном полупроводнике с поверхностью 1 см 2 и той же толщины. Обратите внимание, что образец чистого германия при 20 ° C содержит около 1,26 × 10 21 атомов, но также содержит 7.5 x 10 11 свободных электронов и 7,5 x 10 11 дырок, постоянно генерируемых за счет тепловой энергии. Как видно, отношение сигнал / шум (S / N) будет минимальным. Добавление 0,001% мышьяка (примеси) дает дополнительные 10 15 свободных электронов в том же объеме, а электрическая проводимость увеличивается в 10 000 раз. В легированном материале отношение сигнал / шум (S / N) будет еще меньше. Охлаждение полупроводника — один из способов снизить это соотношение.

Улучшение может быть достигнуто за счет использования напряжения обратного смещения к P-N переходу для истощения детектора свободных носителей, что является принципом большинства кремниевых детекторов излучения. В этом случае отрицательное напряжение прикладывается к стороне p, а положительное — ко второй. Дырки в p-области притягиваются от перехода к p-контакту и аналогично для электронов и n-контакта.

Полупроводниковые материалы: типы, свойства и процесс производства

Полупроводниковый материал — это разновидность электронных материалов с полупроводниковыми свойствами, которые могут использоваться для изготовления полупроводниковых устройств и интегральных схем.Различные внешние факторы, такие как свет, тепло, магнетизм и электричество, будут действовать на полупроводники и вызывать некоторые физические эффекты и явления, которые можно назвать свойствами полупроводника. Большинство основных материалов, из которых состоят твердотельные электронные устройства, являются полупроводниками. Различные типы полупроводниковых устройств имеют разные функции и характеристики из-за различных свойств полупроводников.

Каталог

I Введение

Вещества и материалы в природе можно разделить на три категории: проводники, полупроводники и изоляторы в зависимости от их проводимости.Удельное сопротивление полупроводника составляет от 1 мОм · см до 1 ГОм · см. Как правило, проводимость полупроводника увеличивается с температурой, что противоположно металлическому проводнику.

Все материалы с двумя вышеуказанными характеристиками могут рассматриваться как полупроводниковые материалы. Различные внешние факторы, такие как свет, тепло, магнетизм и электричество, будут действовать на полупроводники и вызывать некоторые физические эффекты и явления, которые можно назвать свойствами полупроводника. Большинство основных материалов, из которых состоят твердотельные электронные устройства, являются полупроводниками.Различные типы полупроводниковых устройств имеют разные функции и характеристики из-за различных свойств полупроводников.

Основная химическая характеристика полупроводников — это насыщенных ковалентных связей между атомами. Ковалентная связь имеет структуру тетраэдрической решетки, поэтому типичные полупроводниковые материалы имеют структуру алмаза или сфалерита (ZnS). Поскольку большинство минералов на Земле представляют собой соединения, первыми доступными полупроводниковыми материалами были соединения.Например, галенит (PbS) использовался для радиодетектирования очень рано, закись меди (Cu2O) использовалась в качестве твердого выпрямителя, сфалерит (ZnS)) — хорошо известный твердотельный люминесцентный материал, а карбид кремния (SiC) — в качестве твердотельного выпрямителя. применяется для исправления и обнаружения.

Рис. 1. Тетраэдрические структуры ковалентной связи

Селен (Se) — первый обнаруженный и использованный элементарный полупроводник, важный материал для твердотельных выпрямителей и фотоэлектрических элементов.Электронные устройства начали переходить на транзисторы после открытия элементарного полупроводника германия (Ge). Использование элементарного полупроводникового кремния (Si) не только увеличило количество типов и улучшило характеристики транзисторов, но также принесло в мир крупномасштабные и сверхбольшие интегральные схемы . Кроме того, открытие соединений AIIIBV, представленных арсенидом галлия (GaAs), способствовало быстрому развитию микроволновых и оптоэлектронных устройств.

II Основные типы полупроводниковых материалов

Полупроводниковые материалы можно разделить по химическому составу , а аморфные и жидкие полупроводники с особыми структурами и свойствами отдельно классифицируются по категориям.На основе этого метода классификации полупроводниковые материалы можно разделить на элементы, неорганические, органические и аморфные, а также жидкие полупроводниковые материалы.

1. Элементные полупроводниковые материалы

Одиннадцать типов полупроводниковых элементов распределены в группах IIIA – IVA периодической таблицы. C, P, Se имеют две формы диэлектрика и полупроводника; B, Si, Ge, Te обладают полупроводностью; Sn, As, Sb имеют две формы полупроводника и металла. Точка плавления и точка кипения P слишком низкие, а давление пара I слишком высокое, что облегчает его разложение, поэтому они имеют небольшую практическую ценность.Стабильные состояния As, Sb и Sn — это металлы, а полупроводники — нестабильные состояния. B, C и Te не использовались из-за трудностей в подготовке и ограничений производительности. Поэтому среди этих полупроводников из 11 элементов использовались только Ge, Si и Se. А Ge и Si являются наиболее широко используемыми материалами во всех полупроводниковых материалах.

2. Неорганические составные полупроводниковые материалы

Этот вид полупроводникового материала можно подразделить на бинарную систему , тройную систему , четвертичную систему, и так далее.

Бинарные составные полупроводниковые материалы

Группы IV-IV: Сплавы SiC и Ge-Si имеют структуру сфалерита.

Группа III-V: состоит из элементов группы III Al, Ga, In и элементов группы V P, As и Sb. Типичный представитель — GaAs. Все эти элементы имеют структуру сфалерита и уступают только Ge и Si в приложениях, которые имеют большие перспективы развития.

Рисунок 2 .Ширина запрещенной зоны бинарных полупроводниковых материалов группы V и группы III-V в зависимости от параметра кубической решетки

Группа II-VI: это соединения, образованные элементами группы II Zn, Cd, Hg и группы VI. элементы S, Se, Te, которые являются важными оптоэлектронными материалами. ZnS, CdTe и HgTe имеют структуру сфалерита.

Группа I-VII: Соединения, образованные элементами группы I Cu, Ag, Au и элементами группы VII Cl, Br, I, среди которых CuBr и CuI имеют структуру сфалерита.

Группы V-VI: Соединения, образованные элементами группы V As, Sb, Bi и элементами VI S, Se, Te, такими как Bi2Te3, Bi2Se3, Bi2S3, As2Te3 и т. Д., Которые являются важными термоэлектрическими материалами.

Оксиды группы B и элементы переходной группы Cu, Zn, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni в четвертом цикле являются основными материалами термисторов.

Соединения некоторых редкоземельных элементов Sc, Y, Sm, Eu, Yb, Tm и V, элементы N, As или элементы VI группы S, Se, Te.

В дополнение к этим соединениям бинарной системы существует твердых полупроводниковых материалов , таких как Si-AlP, Ge-GaAs, InAs-InSb, AlSb-GaSb, InAs-InP, GaAs-GaP и т.п. Изучение этих твердых растворов может сыграть значительную роль в улучшении определенных свойств отдельного материала или открытии новых областей применения.

Рисунок 3 . Бинарная фазовая диаграмма, отображающая твердые растворы во всем диапазоне относительных концентраций

Полупроводниковые материалы с тройными соединениями

Группа : Он состоит из атомов группы II и группы IV, заменяющих два атома группы III в группы III-V, такие как ZnSiP2, ZnGeP2, ZnGeAs2, CdGeAs2, CdSnSe2 и т.п.

Группа : один атом группы I и один атом группы III находятся вместо двух атомов группы II в группах II-VI, таких как CuGaSe2, AgInTe2, AgTlTe2, CuInSe2, CuAlS2 и т. Д.

Группа : Он состоит из одного атома группы I и одного атома группы V вместо двух атомов группы III, таких как Cu3AsSe4, Ag3AsTe4, Cu3SbS4, Ag3SbSe4 и т.д. сложные конструкции.

3. Полупроводниковые материалы на основе органических соединений

Нафталин, антрацен, полиакрилонитрил, фталоцианин и некоторые ароматические соединения являются хорошо известными органическими полупроводниками, но они еще не использовались в качестве полупроводниковых материалов. 4 .Структурные M модели S ilicons

III Свойства полупроводникового материала

1. Характеристические параметры

Хотя существует много типов полупроводниковых материалов, они обладают некоторыми присущими свойствами, которые называют характеристическими параметрами полупроводниковых материалов. Эти параметры могут отражать различия между полупроводниковыми материалами и другими неполупроводниковыми материалами, но, что более важно, отражать количественные различия в характеристиках различных полупроводниковых материалов и даже одного и того же материала в разных ситуациях.

Характерные параметры обычно используемых полупроводниковых материалов:

Ширина запрещенной зоны

Она определяется электронным состоянием и атомной конфигурацией полупроводника, отражая энергию, которая заставляет валентные электроны в атомах возбуждаться от связанное состояние в свободное состояние.

Удельное сопротивление и подвижность носителей

Они представляют собой проводимость материала. Носителями являются электроны и дырки, участвующие в проводимости полупроводников.

N Время жизни равновесных носителей

Обозначает релаксационное свойство внутренних носителей, переходящее из неравновесного состояния в равновесное состояние под внешним воздействием (например, светом или электрическим полем).

Плотность дислокаций

Дислокации являются наиболее распространенными типами дефектов кристаллов. Плотность дислокаций можно использовать для измерения степени целостности решетки полупроводниковых монокристаллических материалов.Конечно, для аморфных полупроводников такого характерного параметра нет.

Рисунок 5. Crystal D efects

2. Требования к рабочим характеристикам
Требования к рабочим характеристикам транзисторов

В соответствии с принципом работы транзисторов требуются материалы иметь большой неравновесный срок службы носителя и подвижность носителя .Транзисторы, изготовленные из материалов с высокой подвижностью носителей, могут работать на более высоких частотах с лучшей частотной характеристикой. Дефекты кристалла могут повлиять на свойства транзистора или даже вызвать его выход из строя. Предел рабочей температуры транзистора определяется размером запрещенной зоны. Чем больше ширина запрещенной полосы, тем выше температурный предел для нормальной работы транзистора.

Требования к характеристикам оптоэлектронных устройств

Диапазон частот излучения, применимый к детекторам излучения, в которых используется фотопроводимость (повышенная проводимость после освещения) полупроводников, зависит от ширины запрещенной зоны материала.Чем больше время жизни неравновесных носителей в материале, тем выше чувствительность детектора и больше время релаксации детектора. Поэтому трудно сбалансировать высокую чувствительность и короткое время релаксации.

Для солнечных элементов , чтобы получить высокую эффективность преобразования, требуется материал с большим временем жизни неравновесных носителей и умеренной шириной запрещенной зоны (от 1,1 до 1,6 электрон-вольт). Дефекты кристаллов могут значительно снизить световую отдачу полупроводниковых светодиодов и полупроводниковых лазерных диодов.

Рисунок 6. B andgap & E fficiency of S olar C ells

Требования к рабочим характеристикам для термоэлектрических устройств Чтобы повысить эффективность преобразования термоэлектрических устройств, между двумя концами устройства должна быть большая разница температур . Когда температура при низкой температуре (обычно температура окружающей среды) фиксирована, разница температур определяется высокой температурой, которая является рабочей температурой термоэлектрического устройства.Кроме того, для адаптации к высокой рабочей температуре ширина запрещенной зоны материала не должна быть слишком маленькой, и требуются большая электродвижущая сила, небольшое удельное сопротивление и небольшая теплопроводность.

IV Материальная технология полупроводников

Размер характерных параметров полупроводникового материала во многом зависит от примесных атомов и кристаллических дефектов в материале. Например, удельное сопротивление может широко варьироваться в зависимости от типа и количества примесных атомов, в то время как подвижность носителей и время жизни неравновесных носителей обычно уменьшаются с увеличением количества примесных атомов и дефектов кристалла.

С другой стороны, различные полупроводниковые свойства полупроводниковых материалов неотделимы от роли различных примесных атомов. Как правило, мы должны максимально уменьшить и устранить дефекты кристаллов, но в некоторых случаях также желательно контролировать их до определенного уровня, и даже если дефекты уже существуют, их можно использовать после соответствующей обработки.

Чтобы ограничить и использовать примесных атомов и дефектов кристаллов, необходимо разработать набор методов получения удовлетворительных полупроводниковых материалов, который представляет собой так называемую технологию полупроводниковых материалов.Эти процессы можно грубо охарактеризовать как очистку, получение монокристаллов и эпитаксиальный рост тонких пленок. В основном мы обсудим процесс очистки и экспитаксиального роста тонких пленок.

1. Очистка

Очистка полупроводниковых материалов в основном предназначена для удаления примесей из материалов. Методы очистки можно разделить на химические и физические.

Химическая очистка заключается в превращении материалов в промежуточные соединения для систематического удаления определенных примесей и окончательного удаления материалов (элементов) из соединения, которое легко разлагается.

Рис. 7. Традиционный химический способ очистки кремния.

Физическая очистка обычно используется в технологии плавления. Полупроводниковый материал отливают в слиток, и область плавления определенной длины формируется с одного конца слитка. Из-за сегрегации примесей в процессе затвердевания после того, как зона плавления многократно перемещается от одного конца к другому, примеси концентрируются на обоих концах слитка.Когда два конца удалены, остальное становится материалом более высокой чистоты. Кроме того, существуют физические методы, такие как вакуумное испарение и вакуумная перегонка. Германий и кремний являются полупроводниковыми материалами высочайшей чистоты, которые могут быть получены, и доля основных примесных атомов может быть меньше одной из десяти миллиардов.

2.

Тонкопленочный эпитаксиальный рост

Большинство полупроводниковых устройств изготавливаются на одной пластине или на эпитаксиальной пластине с одной пластиной в качестве подложки.Монокристаллы полупроводников получают методом выращивания из расплава. Метод Чохральского является наиболее широко используемым. 80% монокристалла кремния, большая часть монокристалла германия и монокристалл антимонида индия производятся этим способом, при этом максимальный диаметр монокристалла кремния достиг 300 мм. Метод Чохральского с магнитным полем в расплаве называется магнетронным методом Чохральского, с помощью которого можно получить монокристалл кремния с высокой однородностью.Добавление жидкого покрывающего агента на поверхность расплава тигля называется методом Чохральского с жидким уплотнением, который применяется для монокристаллов с высоким давлением диссоциации, таких как арсенид галлия, фосфид галлия и фосфид индия.

Рис. 8. Процесс Чохральского Процесс Чохральского

Расплав в методе плавления с плавающей зоной не контактирует с контейнером, который может производить монокристалл кремния высокой чистоты.Для получения монокристаллов германия применяют горизонтальную зонную плавку. Метод горизонтально ориентированной кристаллизации в основном используется для получения монокристалла арсенида галлия, а метод вертикально ориентированной кристаллизации используется для теллурида кадмия и арсенида галлия.

Рис. 9. Схема системы измельчения с плавающей зоной

После получения монокристаллов их следует отправить на ориентацию кристаллов, шлифование цилиндров, эталонную поверхность, нарезку, шлифование, снятие фасок, полировку, травление , чистка, осмотр, упаковка и т. д.быть превращенными в соответствующие пластины.

Рост тонкой монокристаллической пленки на монокристаллической подложке называется эпитаксией . Эпитаксиальные методы включают газовую, жидкую, твердофазную и молекулярно-лучевую эпитаксию. В промышленном производстве в основном используется химическая парофазная эпитаксия, за которой следует жидкофазная эпитаксия. Парофазная эпитаксия и молекулярно-лучевая эпитаксия металлоорганических соединений используются для создания микроструктур, таких как квантовые ямы и сверхрешетки. Аморфные, микрокристаллические и поликристаллические тонкие пленки в основном изготавливаются на стеклянных, керамических, металлических и других подложках с помощью различных методов химического осаждения из газовой фазы, магнетронного распыления и других методов.

В Особенности отрасли полупроводниковых материалов

Промышленность полупроводниковых материалов имеет четыре характеристики:

1. Крупные промышленные масштабы

Согласно статистике SEMI (Ассоциация полупроводникового оборудования и материалов), мировой рынок промышленности полупроводниковых материалов размер в 2016 году достиг 44,3 миллиарда долларов, что составляет почти 15% от размера мировой полупроводниковой промышленности в 2016 году, что составляет примерно 300 миллиардов долларов.

2.Подразделенные торговые структуры

Полупроводниковые материалы являются наиболее подразделенными областями в цепочке полупроводниковой промышленности. Среди них вафельные материалы включают кремниевые пластины, фоторезисты, поддерживающие фоторезисты реагенты, влажные электронные химикаты, электронные газы, полирующие материалы CMP и целевые материалы. Материалы для упаковки микросхем включают подложки корпуса, выводные рамки, смолы, соединительные провода, шарики припоя и растворы для нанесения покрытий. В то же время химические вещества для влажной электроники также включают в себя различные реагенты, такие как кислоты и щелочи, производимые сотнями подразделений промышленности.

Рис. 10. Кремниевые пластинчатые диски

3. Высокий технический порог

Как правило, технический порог для полупроводниковых материалов выше, чем для других материалов в электронике и производстве. Он имеет высокие требования к чистоте и сложные процессы. А в процессе исследований и разработок требуется испытание партии для последующих производственных линий. Кроме того, для разных процессов производства микросхем у последующих производителей разные требования к материалам, что приводит к различным параметрам материалов.

4. Низкие производственные затраты

Хотя общий отраслевой масштаб полупроводниковых материалов огромен, из-за многочисленных подотраслей суб-материалов, отдельные суб-материалы часто составляют относительно низкую долю в стоимости полупроводников. производство. Если взять материал мишени в качестве примера, доля полупроводниковых мишеней в полупроводниковых материалах составляет около 3%, а стоимость производства составляет всего 3–5 центов от полупроводниковых материалов.

Рекомендуемые Статьи :

Основные сведения об аттенюаторах

Введение в диммеры TRIAC и TRIAC

Что такое полупроводники? определение, виды, отрасли.

Мы собираемся обсудить «полупроводник», простое, но важное и полезное вещество в области электроники.

Полупроводник представляет собой материал, обычно твердый химический элемент или соединение, который может проводить электричество в определенных условиях, но не в других, что делает его отличной средой для управления потоком электрического тока. Полупроводник — это тип кристаллического твердого тела, который находится на полпути между проводником и изолятором с точки зрения электропроводности.

Изоляторы, полупроводники и проводники — это три основных типа твердотельных материалов. (При низких температурах некоторые проводники, полупроводники и изоляторы могут стать сверхпроводниками.) Проводимости (и соответствующие удельные сопротивления = 1 / σ), связанные с некоторыми важными материалами в каждой из трех групп, показаны на диаграмме, приведенной ниже. Изоляторы, такие как плавленый кварц и стекло, имеют низкую проводимость от 10 −18 до 10 −10 сименс на сантиметр, тогда как проводники, такие как алюминий, имеют высокую проводимость от 10 4 до 10 6 сименс на сантиметр. сантиметр.Электропроводность полупроводников находится где-то между этими двумя крайностями, и на них обычно влияют температура, свет, магнитные поля и следовые количества примесных атомов. Добавление примерно 10 атомов бора (известного как легирующая примесь) на миллион атомов кремния, например, увеличит его электрическую проводимость в тысячу раз (частично с учетом большой вариабельности, показанной на рисунке).

Характеристики полупроводников:

Полупроводники обладают способностью проводить электричество в оптимальных условиях.Это отличает его как отличный материал для контролируемого проведения электричества. В отличие от проводников, носители заряда в полупроводниках генерируются исключительно внешней энергией (тепловое возбуждение).

Он позволяет определенному количеству валентных электронов прыгать в зону проводимости и пересекать запрещенную зону, оставляя такое же количество незанятых энергетических состояний, то есть дырок. Важность электронной и дырочной проводимости одинакова.

  1. Удельное сопротивление: 10 -5 от до 10 6 Ом · м.
  2. Электропроводность: 10 5 до 10 -6 Ом / м.
  3. Коэффициент термостойкости: отрицательный.
  4. Электроны и дырки вызывают ток.
  5. Почему сопротивление полупроводников уменьшается при повышении температуры?

Разница в плотности носителей заряда между проводниками и полупроводниками вызывает разницу в удельном сопротивлении.

Удельное сопротивление полупроводников уменьшается с ростом температуры, поскольку количество носителей заряда быстро увеличивается, что приводит к частичному сдвигу сопротивления.

Некоторые важные свойства:

Полупроводники обладают рядом важных свойств, в том числе:

  1. При нулевом значении Кельвина полупроводник служит изолятором. Он действует как проводник при повышении температуры.
  2. Полупроводники могут быть легированы, чтобы сделать полупроводниковые устройства идеальными для преобразования энергии, переключателей и усилителей благодаря их исключительным электрическим свойствам.
  3. Меньше потерь мощности.
  4. Они имеют более высокое удельное сопротивление, чем проводники, но более низкое удельное сопротивление, чем изоляторы.
  5. При повышении температуры сопротивление полупроводниковых материалов уменьшается, и наоборот.
Типы полупроводников:

Полупроводники бывают разных форм и размеров. Полупроводники делятся на две категории:

  1. Внутренний полупроводник.
  2. Extrinsic Semiconductor.

1. Внутренний полупроводник:

С химической точки зрения полупроводниковый материал должен быть очень чистым.В нем есть только одна форма функции.

(а) В отсутствие электрического поля. (б) В присутствии электрического поля.

Самыми распространенными собственными полупроводниковыми элементами являются германий (Ge) и кремний (Si). У них есть четыре электрона в валентной оболочке (четырехвалентной). При абсолютном нуле температуры они образуют ковалентную связь с атомом. Из-за столкновений несколько электронов становятся неограниченными и могут свободно проходить через решетку при повышении температуры, что приводит к отсутствию своего первоначального местоположения (отверстия).Электропроводность в полупроводнике поддерживается этими свободными электронами и дырками. Количество отрицательных и положительных носителей заряда равно. Тепловая энергия ионизирует только несколько атомов в решетке, что приводит к снижению проводимости.

Текущие потоки в собственных полупроводниках из-за движения свободных электронов и дырок. Полный ток представляет собой сумму термически индуцированного электронного тока Ie и дырочного тока Ih.

Ie + Ih = Полный ток (I)

2.Внешний полупроводник:

Это тип полупроводника, который не имеет внутренних свойств.

Путем добавления небольшого количества подходящих замещающих атомов, известных как ПРИМЕСИ, проводимость полупроводников может быть значительно улучшена. ДОПИНГ — это метод введения примесных атомов в чистый полупроводник. В легированном полупроводнике только 1 из каждых 107 атомов замещен атомом примеси. Внешние полупроводники далее подразделяются на следующие категории:

  1. Полупроводник N-типа.
  2. Полупроводник P-типа.

Тип N:
  1. В основном из-за электронов.
  2. Абсолютно без изменений.
  3. I = Ih и nh >> ne
  4. Электроны составляют большинство, а дырки — меньшинство.

Когда пятивалентная примесь (P, As, Sb, Bi) легируется в чистый полупроводник (кремний или германий), четыре из пяти валентных электронов связываются с четырьмя электронами Ge или Si.

Пятый электрон легирующей примеси высвобождается. В результате примесный атом отдает решетке свободный электрон для проводимости и называется «донаром».

P тип:
  1. В основном из-за дыр.
  2. Совершенно нейтральный.
  3. I = Ih и nh >> ne.
  4. Дырки в большинстве, электроны в меньшинстве.

Когда чистый полупроводник легирован трехвалентной примесью (B, Al, In, Ga), три валентных электрона примеси связываются с тремя из четырех валентных электронов полупроводника.

S.No Внутренний полупроводник Внешний полупроводник
1. Полупроводник в чистом виде называется собственным полупроводником Полупроводник, легированный примесью, называется примесным полупроводником
2. Здесь сменные держатели производятся только за счет термического перемешивания Здесь сменные держатели образуются из-за примесей, а также могут образовываться из-за теплового перемешивания
3. Обладают низкой электропроводностью Обладают высокой электропроводностью
4. Имеют низкую рабочую температуру Имеют высокую рабочую температуру
5. При 0K уровень Ферми точно лежит между полосой конденсации и валентной полосой При 0 К уровень Ферми точно расположен ближе к зоне проводимости в полупроводнике n-типа и около валентной зоны в полупроводнике p-типа
Примеры: Si, Ge и т. Д. Примеры: Si и Ge, легированные Al, In, P, As и т. Д.
Применение полупроводников:
  1. Полупроводники используются во многих приложениях.
  2. Давайте посмотрим, как полупроводники используются в повседневной жизни. Почти все электронные устройства содержат полупроводники. Наша жизнь была бы совсем другой, если бы их не было.
  3. Их надежность, компактность, низкая стоимость и регулируемая проводимость — все это преимущества.
Применение полупроводников в повседневной жизни:
  1. Из полупроводниковых приборов делают датчики температуры.
  2. Используются в 3D-принтерах.
  3. Микрочипы и беспилотные автомобили используют его.
  4. Калькуляторы, солнечные батареи, компьютеры и другие электронные устройства используют этот материал.
  5. Полупроводники используются для производства транзисторов и полевых МОП-транзисторов, которые используются в качестве переключателей в электрических цепях.
Полупроводники в промышленности:
  1. Физические и химические свойства полупроводников позволяют создавать чудеса техники, такие как микрочипы, транзисторы, светодиоды и солнечные элементы.
  2. Транзисторы и другие управляющие устройства из полупроводниковых материалов создают микропроцессор, используемый для управления космическими кораблями, поездами, роботами и другими устройствами.

Электрические свойства полупроводников — обзор

1.1.4.1 Введение — примеси и примеси в кремнии

Полупроводники — это твердые материалы, имеющие промежуточную электрическую проводимость между проводниками и изоляторами. Физическая причина, по которой материал ведет себя как проводник, полупроводник или изолятор, заключается в наличии или отсутствии свободных носителей тока в материале. Полупроводники характеризуются узкой запрещенной зоной между валентными зонами, занятыми электронами, и зоной проводимости, в которой электроны свободно перемещаются в соответствии с приложенными электрическими полями.Собственные (т.е. чистые) полупроводники действуют как изоляторы при комнатных температурах, но их поведение резко меняется с температурой и, что более важно, с небольшими примесями, присутствующими в кристалле. Очень небольшое количество электрически активных примесей может полностью изменить электрические свойства полупроводников, таких как кремний. Это связано с тем, что электрически активные примеси либо легко отдают валентные электроны (доноры), либо принимают их, создавая дырки (акцепторы). Эти электроны или дырки свободны (т.е., не связанные с отдельными атомами). Их движение из-за приложенных электрических полей переносит электрические токи, что дает начало термину носители заряда , используемому для их обозначения.

Таким образом, электрические свойства полупроводниковых материалов, таких как монокристаллический кремний, определяются концентрациями примесей, присутствующих в решетке кремния. Примеси вводятся в исходные материалы во время роста кристаллов и модифицируются во время обработки устройства путем дополнительного легирования кремниевого материала электрически активными примесями.При преднамеренном легировании кремния используются примесные атомы группы III (акцепторы) и группы V (доноры). Примеси, используемые при вытягивании кристаллов, и проводимость, достигаемая при определенных концентрациях примесей, более подробно описаны в разделах 3.1 и 3.3.

Манипулирование электрическими свойствами в структурах, созданных при производстве устройств MEMS, следует практикам, принятым в производстве полупроводниковых устройств.Используемые методы включают как очень традиционные методы, такие как глубокая диффузия легирующих добавок, от которых отказались в основных полупроводниковых процессах, так и современные стандартные методы, такие как ионная имплантация и эпитаксиальное осаждение. Хотя исходные материалы полупроводникового качества в значительной степени не содержат других электрически активных примесей, включение непреднамеренного загрязнения в кремний во время обработки может существенно повлиять на электрические свойства производимых устройств.

Непреднамеренное легирование кремния включает введение в кристаллическую решетку нежелательных доноров или акцепторов из среды обработки. Эти примеси могут быть либо неправильно размещенными атомами групп III / V, либо другими загрязняющими веществами, такими как некоторые переходные металлы.

Генерация электрически активных доноров также происходит внутри самого монокристаллического кремния CZ без введения дополнительных примесей. Кремний CZ всегда включает несколько частей на миллион атомов межузельного кислорода, происходящего из кварцевого тигля, используемого для удержания расплава во время вытягивания кристалла (см. Также главу 3: Свойства кристаллов кремния).При определенных температурах, в диапазоне от 400 ° C до 550 ° C, эти межузельные атомы создают конгломераты из нескольких атомов кислорода внутри решетки. Такие кремний-кислородные микрокластеры известны как тепловые доноры (ТД), поскольку они отдают свободные электроны в зону проводимости, соответственно влияя на электрические свойства [22,23]. Однако концентрация обычно ниже 10 15 × см -3 и, таким образом, оказывает лишь очень незначительное влияние на кремний, отличный от кремния с высоким удельным сопротивлением. Эти доноры нестабильны при температурах выше 600 ° C, и даже для приложений, требующих кремния с высоким удельным сопротивлением, их влияние можно подавить путем быстрого охлаждения в диапазоне температур генерации.Этот метод называется TD-отжигом, и хотя он эффективен, он не предотвращает образование новых TD, если температуры в критическом диапазоне используются позже при обработке устройства. Дополнительные сведения см. В разделе 3.6.

Использование полупроводников основано на том факте, что на концентрацию носителей заряда также влияют любые присутствующие электрические поля. Это может происходить намеренно, как, например, в транзисторах, но также из-за электрических полей, создаваемых поверхностными эффектами, такими как зарядка.Эти эффекты более выражены в высокоомном кремнии, но в целом они заслуживают внимания.

В подавляющем большинстве случаев электроника, необходимая для реализации датчика на основе МЭМС, состоит из основных строительных блоков полупроводниковой электроники, используемых с момента зарождения полупроводниковой промышленности на основе кремния и описанных в основных справочниках отрасли, такие как Sze [24]. В приложениях MEMS, требующих очень высокого удельного сопротивления, в таких областях, как ВЧ и оптика, применяются особые соображения.Очевидно, что на используемые материалы с очень высоким удельным сопротивлением сильно влияют даже самые маленькие концентрации непреднамеренных носителей заряда. Эти непреднамеренные носители заряда могут быть введены в материал такими методами, как генерация TD (описанная ранее), окисление и загрязнение поверхности, если доноры / акцепторы впоследствии не испаряются. В кремнии с очень высоким удельным сопротивлением эти эффекты могут быть серьезными, а в некоторых случаях даже приводить к изменению типа.

Глава 12.6: Металлы и полупроводники

Ширина запрещенной зоны

Поскольку 1 s , 2 s и 2 p орбиталей атома с периодом 3 являются заполненными остовными уровнями, они не сильно взаимодействуют с соответствующими орбиталями на соседних атомах.Следовательно, они образуют довольно узкие полосы, хорошо разделенные по энергии (рис. 12.6.2). Эти полосы полностью заполнены (уровни связывания и разрыва сцепления полностью заполнены), поэтому они не вносят чистый вклад в связывание в твердом теле. Разница в энергии между наивысшим уровнем одной зоны и самым низким уровнем следующей является запрещенной зоной Разница в энергии между наивысшим уровнем одной энергетической зоны и самым низким уровнем зоны над ней, которая представляет собой набор запрещенных энергий, которые не соответствуют никаким допустимым комбинациям атомных орбиталей.. Он представляет собой набор запрещенных энергий, которые не соответствуют никаким разрешенным комбинациям атомных орбиталей.

Рисунок 12.6.2 Зонная структура металлов периода 3: Na, Mg и Al Валентные зоны 3 s и 3 p перекрываются по энергии, образуя непрерывный набор энергетических уровней, которые могут удерживать максимум восемь электронов. на атом.

Поскольку они простираются дальше от ядра, валентные орбитали соседних атомов (3 s и 3 p на рисунке 12.6.2) гораздо сильнее взаимодействуют между собой, чем заполненные уровни ядра; в результате валентные зоны имеют большую ширину полосы. Фактически, полосы, полученные от атомных орбиталей 3 s и 3 p , шире, чем энергетическая щель между ними, поэтому в результате возникают перекрывающиеся зоны, полученные от двух или более различных типов валентных электронов, которые имеют схожие энергии. Они имеют молекулярные орбитали, полученные от двух или более валентных орбиталей с аналогичными энергиями.Поскольку валентная зона заполнена одним, двумя или тремя электронами на атом для Na, Mg и Al, соответственно, объединенная полоса, возникающая из перекрытия полос 3 s и 3 p , также заполняется. ; он имеет общую емкость восемь электронов на атом (два электрона для каждой орбитали 3 s и шесть электронов для каждого набора из 3 орбиталей p ). Таким образом, с Na, который имеет один валентный электрон, объединенная валентная зона заполнена на одну восьмую; с Mg (два валентных электрона) он заполнен на четверть; а с Al он заполнен на три восьмых, как показано на рисунке 12.6.2. Частично заполненная валентная зона абсолютно необходима для объяснения поведения металла, поскольку она гарантирует наличие незанятых энергетических уровней при бесконечно малой энергии выше самого высокого занятого уровня.

Зонная теория может объяснить практически все свойства металлов. Металлы проводят электричество, например, потому что для возбуждения электрона с заполненного уровня на пустой, где он может быстро перемещаться по кристаллу в ответ на приложенное электрическое поле, требуется очень небольшое количество энергии.Точно так же металлы обладают высокой теплоемкостью (как вы, несомненно, помните из последнего раза, когда врач или медсестра поместили стетоскоп на вашу кожу), потому что электроны в валентной зоне могут поглощать тепловую энергию, будучи возбужденными до низкорасположенной пустой энергии. уровни. Наконец, металлы блестящие, потому что свет с различной длиной волны может поглощаться, вызывая возбуждение валентных электронов на любой из пустых энергетических уровней выше самого высокого занятого уровня.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.