Кремний германий это проводник полупроводник диэлектрик

Что такое полупроводник

Полупроводниками называются материалы, которые по своей электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Отсюда и название — полупроводник.

К современным полупроводниковым материалам относятся: германий Ge, кремний Si, арсенид галлия GaAs и др. Однако полупроводниковые приборы, широко распространенные в электронике, изготавливают в основном из кремния и германия, которые относятся к IV группе периодической таблицы Д.И. Менделеева, с примесями третьей (III) и пятой (V) групп: алюминия Al (III), бора B (III), индия In (III), мышьяка As (V), сурьмы Sb (V), фосфора P (V).

Электрические свойства твердых тел весьма разнообразны. Вначале такие свойства определялись только по их способности пропускать электрический ток.

Твердые вещества разделялись на две группы — проводники и изоляторы. Затем было замечено, что многие твердые вещества не могут относиться ни к проводникам (металлам), ни к изоляторам (диэлектрикам), занимая между ними промежуточное положение.

По количественной оценке электропроводности такие вещества назвали полупроводниками, то есть плохими проводниками. Хотя впоследствии выяснилось, что полупроводники отличаются от проводников и изоляторов не только электропроводностью, это название сохранилось за ними и стало общепринятым.

Итак, так как наряду с проводниками электричества в природе существует много веществ, обладающих значительно меньшей электропроводимостью, чем металлические проводники. Вещества подобного рода называются полупроводниками.

Полупроводниковые материалы как класс веществ находятся между диэлектриками и металлами. В 1 см 3 полупроводника обычно содержится в 10 6 — 10 9 раз меньше электронов, чем в таком же объеме металла, и во столько же раз больше, чем в равнозначном объеме диэлектрика. Поэтому сопротивление полупроводника, хотя оно и намного меньше сопротивления диэлектрика, одновременно гораздо больше, чем сопротивление металла .

Существует еще одна особенность полупроводника, которую заметил в свое время Фарадей: с ростом температуры сопротивление полупроводника не растет, как это происходит в металлах, а уменьшается.

Несмотря на то что при росте температуры электроны чаще претерпевают соударения с другими электронами или с атомами решетки и скорость их движения в электрическом поле падает, наблюдается резкое увеличение концентрации свободных электронов (или электронов проводимости), так что плотность электрического тока в полупроводнике возрастает .

К полупроводникам относятся: некоторые химические элементы, например селен, кремний и германий, сернистые соединения, например сернистый таллий, сернистый кадмий, сернистое серебро, карбиды, например карборунд, углерод (алмаз), бор, серое олово, фосфор, сурьму, мышьяк, теллур, йод и ряд соединений, в состав которых входит хотя бы один из элементов 4 — 7-й групп системы Менделеева. Существуют также органические полупроводники.

Природа электрической проводимости полупроводника зависит от рода примесей, имеющихся в основном материале полупроводника, и от технологии изготовления его составных частей.

Полупроводник — вещество с электропроводностью 10 -10 — 10 4 (ом х см) -1 , находящееся по этим свойствам между проводником и изолятором. Различие между проводниками, полупроводниками и изоляторами по зонной теории заключается в следующем: в чистых полупроводниках и электронных изоляторах между заполненной зоной (валентной) и зоной проводимости находится запрещенная зона энергий.

История открытия и исследования полупроводников

Первые попытки применить полупроводники для выделения (детектирования, демодуляции) сигналов в радиотелеграфии и радиотелефонии были сделаны А. С. Поповым.

В 1900 — 1905 гг. ученые обратили внимание на детектирующие способности точечного контакта между кончиком металлической пружинки и кристаллами свинцового блеска (галенита), карбида кремния, кремния и теллура.

В 1926 г. Грондалем был создан медно-закисный (полупроводниковый) выпрямитель. В 30-х годах А. Ф. Иоффе начал широкие исследования свойств полупроводников, Я. И. Френкель объяснил механизм возбуждения в полупроводнике парных зарядов («электрон» и «дырка»).

В 1937 г. немецкие ученые Р. Хильш и Р. Поль обнаружили возможность управления током щелочно-галлоидных кристаллов, а в 1948 г. был создан первый точечный кристаллический триод для усиления колебании (Бардин и Браттейн). В 1949 г. Шокли заложил основы теории электронно-дырочного р— n -перехода. К концу 1952 г. были разработаны основные типы точечных и плоскостных транзисторов.

В течение последующих лет выполнено огромное количество исследований свойств полупроводников и достигнуты большие успехи в их практическом применении.

Почему полупроводники проводят ток

Полупроводник обладает электронной проводимостью, если в атомах его примеси внешние электроны относительно слабо связаны с ядрами этих атомов. Если в подобного рода полупроводнике создать электрическое поле, то под влиянием сил этого поля внешние электроны атомов примеси полупроводника покинут пределы своих атомов и превратятся в свободные электроны.

Свободные электроны создадут в полупроводнике электрический ток проводимости под влиянием сил электрического поля. Следовательно, природа электрического тока в полупрооводниках с электронной проводимостью та что и в металлических проводниках. Но так как свободных электронов в единице объема полупроводника во много раз меньше, чем в единице объема металлического проводника, то естественно, что при всех прочих одинаковых условиях ток в полупроводнике будет во много раз меньше, чем в металлическом проводнике.

Полупроводник обладает «дырочной» проводимостью, если атомы его примеси не только не отдают своих внешних электронов, но, наоборот, стремятся захватить электроны атомов основного вещества полупроводника. Если атом примеси отберет электрон у атома основного вещества, то в последнем образуется нечто вроде свободного места для электрона — «дырка».

Атом полупроводника, потерявший электрон, называют «электронной дыркой», или просто «дыркой». Если «дырка» заполняется электроном, перешедшим с соседнего атома, то она ликвидируется и атом становится нейтральным в электрическом отношении, а «дырка» смещается на соседний атом, потерявший электрон. Следовательно, если на полупроводник, обладающий «дырочной» проводимостью, воздействовать электрическим полем, то «электронные дырки» будут смещаться в направлении этого поля.

Смещение «электронных дырок» в направлении действия электрического поля аналогично перемещению положительных электрических зарядов в поле и, следовательно, представляет собой явление электрического тока в полупроводнике.

Полупроводники нельзя строго разграничивать по механизму их электрической проводимости, так как наряду с «дырочной» проводимостью данный полупроводник может в той или иной степени обладать и электронной проводимостью.

• типом проводимости (электронный — n -тип, дырочный — р-тип);
• удельным сопротивлением;
• временем жизни носителей заряда (неосновных) или диффузионной длиной, скоростью поверхностной рекомбинации;
• плотностью дислокаций.

Смотрите также: Вольт-амперные характеристики полупроводников

Кремний — наиболее распространенный полупроводниковый материал

Температура оказывает существ, влияние на характеристики полупроводников. Повышение ее преимущественно приводит к уменьшению удельного сопротивления и наоборот, т. е. для полупроводников характерно наличие отрицательного температурного коэффициента сопротивления . Вблизи абсолютного нуля полупроводник становится изолятором.

Основой многих приборов служат полупроводники. В большинстве случаев они должны быть получены в виде монокристаллов. Для придания заданных свойств полупроводники легируют различными примесями. К чистоте исходных полупроводниковых материалов предъявляются повышенные требования.

Полупроводниковые приборы

Термообработка полупроводников

Термообработка полупроводника — нагревание и охлаждение полупроводника по заданной программе с целью изменения его электрофизических свойств.

Изменяются: кристаллическая модификация, плотность дислокаций, концентрация вакансий или дефектов структуры, тип проводимости, концентрация, подвижность и время жизни носителей заряда. Последние четыре, кроме того, могут быть связаны с взаимодействием примесей и дефектов структуры или с диффузией примесей в объеме кристаллов.

Нагревание образцов германия до температуры >550°С последующим быстрым охлаждением приводит к появлению термоакцепторов в концентрациях тем больших, чем выше температуpa. Последующий отжиг при той же температуре восстанавливает первоначальное удельное сопротивление.

Вероятный механизм этого явления: растворение в решетке германия меди, диффундирующей с поверхности или ранее осажденной на дислокациях. Медленный отжиг приводит к осаждению меди на структурных дефектах и уходу ее из решетки. Возможно также и возникновение новых дефектов структуры при быстром охлаждении. Оба эти механизма могут уменьшать время жизни, что и устанавливается экспериментально.

В кремнии при температурах 350 — 500° происходит образование термодоноров в концентрациях тем больших, чем больше кислорода растворено в кремнии при выращивании кристалла. При более высоких температурах термодоноры уничтожаются.

Нагревание до температурр в пределах 700 — 1300° резко уменьшает время жизни неосновных носителей заряда (при > 1000° определяющую роль играет диффузия примесей с поверхности). Нагрев кремния при 1000—1300° оказывает влияние на оптическое поглощение и рассеяние света.

Применение полупроводников

В современной технике полупроводники нашли самое широкое применение, они оказали очень сильное влияние на технический прогресс. Благодаря им удается значительно уменьшить вес и габариты электронных устройств. Развитие всех направлений электроники приводит к созданию и совершенствованию большого количества разнообразной аппаратуры на полупроводниковых приборах. Полупроводниковые приборы служат основой микроэлементов, микромодулей, твердых схем и т. д.

Электронные устройства на полупроводниковых приборах практически безинерционны. Тщательно выполненный и хорошо герметизированный полупроводниковый прибор может служить десятки тыс. часов. Однако некоторые полупроводниковые материалы имеют малый температурный предел (например, германий), но не очень сложная температурная компенсация или замена основного материала прибора другим (например, кремнием, карбидом кремния) в значительной, степени устраняет и этот недостаток. Совершенствование технологии изготовления полупроводниковых приборов приводит к уменьшению имеющихся еще разброса и нестабильности параметров.

Полупроводники в электронике

Контакт полупроводник — металл и электронно-дырочный переход ( n -р-переход), созданный в полупроводниках, используются при изготовлении полупроводниковых диодов. Двойные переходы (р- n -р или n -р- n ) — транзисторов и тиристоров. Эти приборы в основном применяются для выпрямления, генерации и усиления электрических сигналов.

На основе фотоэлектрических свойств полупроводников создают фотосопротивления, фотодиоды и фототранзисторы. Полупроводник служит активной частью генераторов (усилителей) колебаний полупроводниковых лазеров. При пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов, что используется при создании светодиодов.

Светодиоды

Термоэлектрические свойства полупроводников позволили создать термосопротивления полупроводниковые, термоэлементы полупроводниковые, термобатареи и термоэлектрические генераторы, а термоэлектрическое охлаждение полупроводников, на основе эффекта Пельтье, — термоэлектрические холодильники и термостабилизаторы.

Полупроводники используются в безмашинных преобразователях тепловой и солнечной энергии в электрическую — термоэлектрических генераторах, и фотоэлектрических преобразователях (солнечных батареях).

Механическое напряжение, приложенное к полупроводнику, изменяет его электрическое сопротивление (эффект сильнее, чем в металлах), что явилось основой тензометра полупроводникового.

Полупроводниковые приборы получили широкое распространение в мировой практике, революционно преобразуя электронику, они служат основой при разработке и производстве:

• измерительной техники, компьютеров,
• аппаратуры для всех видов связи и транспорта,
• для автоматизации процессов в промышленности,
• устройств для научных исследований,
• ракетной техники,
• медицинской аппаратуры
• других электронных устройств и приборов.

Применение полупроводниковых приборов позволяет создавать новую аппаратуру и совершенствовать старую, приводит к значит, уменьшению ее габаритов, веса, потребляемых мощностей, а значит, уменьшению выделения тепла в схеме, к увеличению прочности, к немедленной готовности к действию, позволяет увеличить срок службы и надежность электронных устройств.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Описание полупроводниковых материалов: германий, кремний.

Полупроводниковые материалы (германий, кремний) по своему удельному электрическому сопротивлению p занимают место между проводниками и диэлектриками (p= 10 ~3 …10 8 Ом • см). Разная величина проводимости у металлов, полупроводников и диэлектриков обусловлена разной величиной энергии, которую надо затратить на то, чтобы освободить валентный электрон от связей с атомами, расположенными в узлах кристаллической решетки. Причем проводимость полупроводников в значительной степени зависит от наличия примесей и температуры.

В полупроводниках присутствуют подвижные носители заряда двух типов: отрицательные электроны и положительные дырки.

Чистые (собственные) полупроводники в полупроводниковых приборах практически не применяются, так как обладают малой проводимостью и не обеспечивают односторонней проводимости. Подвижные носители заряда в собственных полупроводниках возникают обычно в результате термогенерации. Техническое применение получили так называемые примесные полупроводники, в которых в зависимости от рода введенной примеси преобладает либо электронная, либо дырочная проводимость.

Если в кристаллическую решетку 4-валентного кремния ввести примесь 5-валентного элемента (фосфора P , сурьмы Sb , мышьяка As ), то четыре валентных электрона каждого примесного атома примут участие в образовании ковалентных связей с четырьмя соседними атомами кремния, а пятый валентный электрон окажется избыточным. Он слабо связан с атомом и легко превращается в свободный.

При этом атом примеси превращается в положительный неподвижный ион. Увеличение концентрации свободных электронов увеличивает вероятность рекомбинации, поэтому концентрация дырок уменьшается. При нормальной температуре практически все атомы приме­си превращаются в положительные неподвижные ионы, а число свободных электронов значительно превышает число дырок. Основными носителями заряда в таких полупроводниках являются электроны, поэтому такой полупроводник называется полупроводником n-типа (электронного типа). Неосновными носителями заряда в нем являются дырки. Примеси, атомы которых отдают электроны, называют донорами.

При введении примеси 3-валентного элемента (бора B , индия In , алюминия А l ) три валентных электрона каждого атома примеси принимают участие в образовании только трех ковалентных связей, а для четвертой связи атом примеси забирает электрон из какой-либо другой связи между атомами кремния, образуя при этом дырку. Атом примеси превращается в отрицательный неподвижный ион. Таким образом, 3-валентная примесь увеличивает концентрацию дырок, что в свою очередь уменьшает концентрацию электронов. Основными носителями заряда таких полупроводников являются дырки, поэтому полупроводник называется полупроводником p -типа (дырочного типа). Неосновными носителями заряда являются электроны. Вещества, отбирающие электроны, называются акцепторами.

Чтобы примесная электропроводность преобладала над собственной, концентрация атомов примеси N должна превышать концентрацию электронов n и дырок p в собственном полупроводнике ( n = p ). Практически всегда N гораздо больше n и p.

Концентрация неосновных носителей уменьшается во столько раз, во сколько раз увеличивается концентрация основных носителей. Это объясняется увеличением вероятности рекомбинации. Для примесного полупроводника справедливо равенство np = n_ip_i = n_i2 = p_i2,где n,p— концентрация электронов и дырок в примесном полупроводнике. Число атомов примеси мало по сравнению с числом атомов полупроводника. Если использовать фосфор P, атомный вес которого примерно равен атомному весу кремния, и добавить в 1 кг расплава кремния только 20 мкг фосфора, то эта добавка увеличит число свободных электронов на 5 порядков. На столько же порядков уменьшится концентрация неосновных носителей.

Концентрация основных носителей определяется концентрацией примеси и практически не зависит от температуры, так как уже при комнатной температуре все атомы примеси ионизированы, а число основных носителей, возникающих за счет генерации пар электрон-дырка, пренебрежимо мало по сравнению с общим числом основных носителей. В то же время концентрация неосновных носителей мала и сильно зависит от температуры, увеличиваясь в 2—3 раза при увеличении температуры на каждые 10 3 С.

Кремний германий это проводник полупроводник диэлектрик

Δ W – ширина запрещенной зоны элемента.

III группа содержит один полупроводниковый элемент – бор ( ₅ В ) , обладающий электронной структурой – 1 s 2 2 s 2 2 p 1 .

Главные природные соединения бора – борная кислота Н ₃ ВО ₃ и соли борных кислот, из которых наиболее известна бура – Na ₂ B ₄ O ₇ · 10 H ₂ O .

По химическим свойствам бор сходен не с элементами III группы, а с элементом IV группы – кремнием. В этом проявляется «диагональное сходство». Бор, как и кремний, образует слабые кислоты, не проявляющие амфотерных свойств, тогда как Аl (ОН) ₃ – амфотерное основание.

Соединения бора и кремния с водородом – летучие вещества, самовоспламеняющиеся на воздухе. Как и кремний, бор образует соединения с металлами с большой твердостью и высокими температурами плавления.

Кристаллы бора получают пиролизом диборана В ₆ Н ₆ на вольфрамовой проволоке или восстановлением ВВr ₃ водородом в контакте с горячей танталовой проволокой. Электрические свойства бора зависят от температуры пиролиза.

При обычных условиях бор находится в твердом виде, образуя макромолекулы ( В ₁₂ ) с ковалентными связями. Удельное сопротивление бора ρ = 0,02 Ом·м, ширина запрещенной зоны – 1,08 эВ. Подвижность [1] дырок больше подвижности электронов. Подвижность дырок 0,2÷50 см 2 /(В·с). Подвижность электронов 0,4 ¸ 1,0 см 2 /(В·с).

Тонкие слои бора, полученные пиролизом, применяют для изготовления стабильных резисторов.

Это алмаз, кремний, германий, серое олово ( a — Sn ) и система твердых растворов германия и кремния. Кристаллическая структура полупроводников алмазоподобная .

В элементарной ячейке этих веществ содержатся 8 атомов. Весь кристалл можно рассматривать как огромную молекулу, в которой атомы связаны ковалентной связью.

В нормальном состоянии элементы имеют электронную формулу s 2 р 2 . Атом может образовать две ковалентные связи. В возбужденном состоянии – s 1 р 3 . Все р — орбитали заняты. Поэтому вещества являются типичными полупроводниками, с заполненной в невозбужденном состоянии валентной зоной.

Атомы углерода находятся в состоянии sр 3 – гибридизации и образуют трехмерную тетраэдрическую сетку, в которой они связаны друг с другом ковалентными связями. Расстояние между атомами в тетраэдрах равно 0,154 нм (1нм=10 -9 м). Структура решетки – кубическая. Число атомов в элементарной решетке – 8.

Существуют несколько разновидностей природных алмазов, отличающихся своими физическими свойствами: алмазы типов I, II, II I , в каждом из которых выделяются подтипы. Чаще всего в природе встречаются алмазы типа I. Они правильной формы и изотропны, имеют голубую флюоресценцию, непрозрачны для УФ – лучей.

Среди алмазов типа II очень редко встречаются алмазы типа II_б , которые имеют проводимость р – типа, удельное сопротивление, ρ = 0,50÷12 Ом·м. Алмазы применяют в качестве счетчиков a и b — частиц и γ — излучения.

Наиболее распространенный элемент земной коры (до 28 % земной коры). Существует в аморфном и кристаллическом состоянии. Свободный кремний можно получить прокаливанием диоксида кремния с магнием

Полупроводниковыми свойствами обладает кристаллический кремний высокой степени очистки. В промышленности кремний получают восстановлением SiО₂ коксом в электрических печах:

SiO ₂ + 2 C = Si + 2 CO ­ .

Полученный кремний содержит 2 — 5 % примесей.

Диоксид кремния или кремнезем ( SiO ₂ ) встречается в кристаллическом и аморфном виде. В природе находится в виде минерала кварца, прозрачные, бесцветные кристаллы которого в форме шестигранных призм, называют горным хрусталем. Горный хрусталь, окрашенный примесями в лиловый цвет, называется аметистом, а в буроватый – дымчатым топазом. Разновидности кварца – агат и яшма. Из мелких зерен кварца состоит обычный песок. Чистый кварцевый песок – белого цвета, но чаще он окрашен соединениями железа в желтый или красноватый цвет.

Чистый кремний получают зонной плавкой и термическим разложением иодида кремния SiJ ₄ , силана SiН ₄ , или SiСl ₄ .

Кремний высокочистый имеет тетраэдрическую структуру ( sр 3 – гибридизация) расположения атомов и кубическую форму решетки, как у алмаза. Каждый атом кремния соединен четырьмя валентными связями с расположенными в вершинах тетраэдра другими атомами.

Собственная проводимость кремния определяется термической генерацией собственных носителей заряда – электронов и дырок, при переходе электронов из валентной зоны в зону проводимости. Концентрация носителей экспоненциально зависит от температуры.

Дырочная проводимость достигается введением акцепторов, т.е. элементов III группы – Аl или В . Электронная проводимость – введением доноров элементов V группы – Аs или Sb .

Четырехвалентный элемент, имеющий структурный тип решетки алмаза. Дефицитнее кремния. Получают из GеО ₂ восстановлением водородом:

Порошок сплавляется в кварцевой лодочке. Затем слиток подвергается зонной очистке. После очистки из германия готовят монокристаллы из расплава.

Свойства германия и кремния

Плотность, 10 3 кг/м 3

Температура плавления, °С

Удельное сопротивление, ом ·м

Ширина запрещенной зоны, эВ

Подвижность электронов, см 2 /(В·с)

Подвижность дырок, см 2 /(В·с)

Германий применяется для изготовления диодов и триодов, датчиков Холла для измерения напряженности магнитного поля, фототранзисторов и фоторезисторов.

Олово ( α — Sn )

Серое олово α – Sn обладает полупроводниковыми свойствами, имеет кристаллическую решетку типа алмаза. Белое олово β – Sn превращается в серое α – Sn области температур -10 ÷ -30°С в результате фазового перехода, скорость которого увеличивается с повышением чистоты олова. При фазовом переходе меняется плотность олова с 7,3 г/см 3 до 5,8 г/см 3 . Поэтому при переходе из β – в α — модификацию олово превращается в серый порошок ( оловянная чума).

Ширина запрещенной зоны α – Sn равна 0,082 эВ. Малая энергия активации и высокая подвижность носителей тока (электронов и дырок) являются причинами высокой электропроводности α – Sn – 2,5·10 5 Ом -1 ·м -1 .

Основной природный минерал, из которого получают восстановлением олово, касситерит SnО ₂ . Мировое производство – 10 5 тонн/год. Если темпы потребления не снизятся, то через 50 лет основные запасы его будут исчерпаны.

Олово растворяется в кислотах:

Sn + 2 NaOH + 2 H ₂ O → Na ₂ [ Sn ( OH ) ₄ ] + H ₂ ↑,

что указывает на его амфотерность. Олово устойчиво на воздухе, поэтому используется для покрытий стальных изделий от коррозии.

Полупроводниковыми свойствами обладают фосфор ( P ) — неметалл, мышьяк ( Аs ), сурьма ( Sb ) — полуметаллы, висмут ( Вi ) – металл.

Электронное состояние этих элементов – n s 2 n p 3 .

As и Sb – токсичны, особенно аран ( А s Н ₃ ) и стибан ( Sb Н ₃ ).

Существует в модификациях: белый, красный, черный. Белый фосфор с молекулярной структурой самая неустойчивая форма фосфора.

Красный фосфор – полимер белого. Черный фосфор – получается при нагревании белого до 200 ° C под давлением или красного до 350 ° C под давлением, имеет слоистую структуру как у графита.

Ширина запрещенной зоны белого фосфора 2,6 эВ, красного фосфора 1,56 эВ, черного фосфора – 0,33 эВ.

Под давлением у фосфора ширина запрещенной зоны уменьшается. Структура черного фосфора анизотропна и его электрические свойства сильно зависят от направления.

Все модификации обнаруживают фотопроводимость. В качестве компонента фосфор входит в полупроводниковые химические соединения.

Известны три модификации мышьяка: красный, состоящий из тетраэдрических молекул – Аs₄ , черный – стеклообразный Аs – полимер, подобный черному фосфору, серый Аs – устойчивая модификация, получаемая при нагреве черного Аs .

Полупроводниковыми свойствами обладает только серый кристаллический Аs . В чистом виде не применяется, только как компонент в соединениях.

Это сера ( S ), селен ( Sе ), теллур ( Те ). Ярко выраженными полупроводниковыми свойствами обладают Sе и Те , имеющие сходство. Их атомы имеют электронную конфигурацию n s 2 n p 4 . Ковалентная химическая связь осуществляется двумя неспаренными р -электронами атомов. Благодаря этим связям образуются либо двухатомные молекулы с двойной связью, либо многоатомные кольцевые молекулы из 8 атомов. Кольцевые молекулы могут полимеризоваться в длинные цепи больших молекул.

Моноклинный Sе , являющийся диэлектриком, состоит из колец двух типов: гофрированных колец Sе ₈ и многочленных колец, состоящих из нескольких сотен до тысячи атомов. При нагреве кольца распадаются на цепочки, которые полимеризуются в длинные зигзагообразные винтовые цепи. Поэтому такую модификацию можно рассматривать как высокополимерное вещество.

У Те больше атомная масса и объем, и химические связи слабее, чем у Sе , поэтому Т е начинает кристаллизоваться при комнатной температуре и скорость возрастает с ростом температуры. При 120 °С кристаллизация завершается за 1 час, а при 80 – за 15 дней. Примеси фосфора и мышьяка замедляют ее.

Наибольшее значение как полупроводниковые материалы имеют гексагональные формы селена Sе и теллура Те . Они образуют ряд твердых растворов, с длинными цепями молекул, а сплавы их представляют смесь полимерных молекул.

Аморфная и моноклинная (красная) модификация селена, а также жидкий селен, состоящий из смеси линейных и кольцевых молекул, обладают высоким удельным сопротивлением ρ = 10 11 Ом·м. Селен – полупроводник р -типа . Носители зарядов – дырки, при повышении температуры их концентрация не меняется, но проводимость селена растет, что обусловлено увеличением подвижности дырок. В жидком состоянии электропроводность у селена остается дырочной. При введении примесей электропроводность селена изменяется. Это используют при производстве селеновых выпрямителей путем введения примесей галоидов. Ширина запрещенной зоны у гексагонального селена ∆ W _. = 1,7÷1,9 эВ, а у аморфного ∆ W = 4,6 эВ.

Селен используют в полупроводниковой технике, как в элементарном виде, так и в композициях ( РbSе , СdSе , Вi₂Sе₃ и др.). Применяется селен в фоторезисторах, в элементах фотоэ.д.с ., в селеновых выпрямителях переменного тока.

Теллур полупроводник с дырочной проводимостью, сохраняющий свойства полупроводника в жидком состоянии, а с ростом температуры электропроводность переходит в металлическую.

Используется для изготовления полупроводниковых сплавов со свинцом, висмутом и сурьмой, обладающих большой термо – э.д.с . и являющихся основой для термоэлектрических генераторов.

Полупроводники типа А III B V

Это химические соединения, образующиеся при взаимодействии элементов А III и B V подгрупп периодической системы Менделеева. Эти соединения характеризуются наличием у А III на внешних оболочках по 3 валентных электрона – s 2 р 1 , а у В V – 5 валентных электронов в состоянии s 2 р 3 . На каждый атом приходится – 4 электрона, как в элементах IV группы, а отсюда и одинаковые кристаллические структуры и электронные свойства этих соединений с алмазом, кремнием, германием и другими элементами IV группы. Но отличаются типом связи – наряду с ковалентной есть и ионные, т.к. в узлах решетки располагаются положительные и отрицательные ионы.

Кристаллическая решетка соединений типа А III В V менее симметрична, чем решетка алмаза, германия, кремния. Примерами соединений этого типа могут быть: InSb – антимонид индия, InАs – арсенид индия, InР – фосфид индия, GаSb – антимонид галлия, GаАs – арсенид галлия, GаР – фосфид галлия, АlSb – антимонид алюминия.

Эти соединения имеют большую, чем у германия и кремния подвижность электронов. Электропроводность полупроводниковых соединений зависит от примесей, входящих в междоузлия или в узлы атомной решетки в виде атомов замещения (это элементы II, IV, VI групп).

Арсениды, антимониды и фосфиды индия и галлия получают сплавлением компонентов в вакууме в кварцевых ампулах. Выращивание кристаллов этих соединений – например, GаАs методом Чохральского , такое же как Gе и Si , но с магнитным управлением, с направленной кристаллизацией. Можно использовать зонную плавку.

Карбид кремния SiC ( A IV B IV )

Получается восстановлением из SiО ₂ углем при высокой температуре в электрических печах:

SiO ₂ + 3 C = SiC + 2 CO .

Примеси удаляют добавлением NаСl , образующиеся хлориды улетучиваются при высокой температуре. Чистый карбид кремния бесцветен. Величина проводимости и тип зависит от примесей. Удельное сопротивление чистого карбида кремния 10 11 Ом·м, с примесями — 0,001 Ом·м.

Химическая структура и тип связи у карбида кремния такой же как у элементов IVВ подгруппы. Имеется ряд модификаций карбида кремния. Ширина запрещенной зоны карбида кремния – 2,86 эВ.

Примесь элементов V группы ( P , As , Sb , Bi ) и железа в карбиде кремния дает зеленую окраску и проводимость n – типа (электронную).

Примесь элементов II группы ( Са , Мg ) и III группы ( В , Аl , Gа , I n ) дает голубую окраску и проводимость р – типа. Избыток кремния в карбиде кремния дает проводимость n – типа, а избыток С – р –проводимость.

Карбид кремния применяют для нелинейных резисторов, термокомпенсаторов , силовых выпрямителей с р — n — переходом, работающих при высоких температурах (до 650 °С).

Из оксидов наибольшее применение получила закись меди Сu ₂ О , обладающая ширной запрещенной зоны ∆ W = 0,22÷0,39 эВ. Является основой медно – закисных ( купроксных ) выпрямителей. Медные пластины нагревают при 1020÷1040 °С в окислительной среде 5 мин, затем переносят в печь с температурой 600°С, где выдерживают 10 мин. Получается в итоге двойное покрытие: первое Сu ₂ О (закись), второе СuО – окись. Закись меди Сu ₂ О – полупроводник, а СuО – диэлектрик. Окись меди в требуемых местах вытравливают. Сu ₂ О является примесным полупроводником n – типа, с интервалом рабочих температур от –40 до +60°С. Медное основание в прилегающей к пленке Сu ₂ О имеет электронную проводимость, что обусловливает в слое закиси меди электронно – дырочный переход.

Меднозакисные выпрямители широко применялись в технике (в измерительных приборах, в схемах автоматических устройств и др.).

Мn ₃ О ₄ – закись – окись марганца – поликристаллический полупроводник с ∆ W = 1,25 эВ. Этот окисный полупроводник применяется в термисторах (термометрах сопротивления).

К оксидным полупроводникам с электронной электропроводностью относятся широко используемые радиоэлектронике ферриты и сегнетоэлектрики (сегнетова соль).

Полупроводниковые свойства проявляют те оксиды, у которых один или более ионов металла относится к элементу переходного ряда ( Ti , Cu , Zn , Ni , Co , Fe , Mn , Cr , V ).

Сульфиды (люминофоры)

В полупроводниковой технике применяют: сульфид свинца РbS ; сульфид цинка ZnS ; сульфид кадмия СdS ; сульфид висмута Вi ₂ S ₃ .

Сульфид свинца имеет кристаллическую структуру с кубической решеткой. Плотность – 7,5 · 10 3 кг/м 3 , молекулярная масса – 239, температура плавления 1114 °С, ∆ W = 0,4 эВ. В зависимости от соотношения S и Рb получается проводимость: дырочная – если больше серы, электронная – если больше свинца, подвижность электронов 80 см 2 /(В·с). Сульфид свинца применяется для термоэлементов и фоторезисторов с высокой чувствительностью в ИК области спектра.

Сульфид цинка – кристаллическая структура с кубической или гексагональной решеткой природного или синтетического происхождения.

Сульфид кадмия – полупроводниковый кристаллический материал гексагональной структуры, молекулярная масса – 144,5; плотность – 4,82 · 10 3 кг/м 3 , ∆ W = 2,1 эВ. Применяют для фоторезисторов.

Сульфид висмута – кристаллическое вещество ромбической структуры, получают сплавлением висмута с серой в нейтральной среде или в вакууме. Плотность – 7,4 · 10 3 кг/м 3 ; молекулярная масса – 514,2; ∆ W = 1,25 эВ.

C оединения типа А II В VI

Наибольшее применение получили CdSe , PbSe , HgSe .

Селенид ртути НgSе – кристаллическое вещество, получают сплавлением компонентов в вакууме при 960 °С; имеет электронную проводимость с подвижностью электронов 5000 см 2 /(В·с), ∆ W = 0,3 эВ. Применяется в датчиках э.д.с . Холла, фоторезисторах, лазерах.

Физические свойства соединений типа А II В VI

Электропроводность полупроводников

Вещества, способные проводить или не проводить электрический ток, не ограничиваются строгим разделением только на проводники и диэлектрики. Есть еще полупроводники, такие как: селен, кремний, германий, и другие минералы и сплавы, достойные того, чтобы их выделить в отдельную группу.

Эти вещества проводят электрический ток лучше чем диэлектрики, но хуже чем металлы, а их удельная проводимость увеличивается с ростом температуры или освещенности. Данная особенность полупроводников делает их применимыми в датчиках освещенности и температуры, но основное их применение — все же электроника.

Если взглянуть, в качестве примера, на кристалл кремния, то можно обнаружить, что кремний обладает валентностью 4, то есть на внешней оболочке его атома есть 4 электрона, которые связаны с четырьмя соседними атомами кремния в кристалле. Если на такой кристалл подействовать теплом или светом, то валентные электроны получат приращение энергии, и покинут свои атомы, превратившись в свободные электроны — в подвергнутом воздействию объеме полупроводника появится электронный газ — как в металлах, то есть возникнет условие для проводимости.

Но в отличие от металлов, полупроводники отличаются электронной и дырочной проводимостью. Почему так происходит и что это такое? Когда валентные электроны покидают свои места, на этих прежних местах образуются области с недостатком отрицательного заряда — «дырки», имеющие теперь избыточный положительный заряд.

В образовавшуюся «дырку» легко перескочит соседний электрон, и как только эта дырка заполнится перескочившим в нее электроном, на месте перескочившего электрона опять же образуется дырка.

То есть получается, что дырка — это положительно заряженная подвижная область полупроводника. И при включении полупроводника в цепь с источником ЭДС, электроны станут двигаться к плюсовой клемме источника, а дырки — к минусовой. Так реализуется проводимость полупроводника собственная.

Движение в полупроводнике дырок и электронов проводимости без приложенного электрического поля будет хаотичным. Если же к кристаллу приложить внешнее электрическое поле, то электроны внутри него придут в движение против поля, а дырки — в движение по полю, то есть в полупроводнике возникнет явление собственной проводимости, которое будет обусловлено не только электронами, но и дырками.

У полупроводника проводимость всегда возникает лишь под влиянием каких-нибудь факторов извне: из-за облучения фотонами, от действия температуры, при наложении электрических полей и т. д.

Уровень Ферми в полупроводнике приходится на середину запрещенной зоны. Для перехода электрона из верхней валентной зоны в нижнюю зону проводимости нужна энергия активации, которая равна ширине запрещенной зоны deltaE (см.рисунок). И как только появляется электрон в зоне проводимости, тут же в валентной зоне рождается дырка. Таким образом, затраченная энергия делится поровну при образовании пары носителей тока.

Половина энергии (соответствует половине запрещенной зоны) расходуется на переброс электрона, а половина — на образование дырки, в итоге начало отсчета соответствует середине запрещенной зоны. Энергия Ферми в полупроводнике — это та энергия, при которой возбуждаются электроны и дырки. Положение о том, что уровень Ферми расположен для полупроводника в середине запрещенной зоны, может быть подтверждено математическими выкладками, однако здесь математические выкладки опустим.

Под действием внешних факторов, например при возрастающей температуре, тепловые колебания кристаллической решетки полупроводника приводят к разрушению некоторых валентных связей, вследствие чего часть электронов становятся, отщепляясь, свободными носителями заряда.

В полупроводниках наряду с процессом образования дырок и электронов действует процесс рекомбинации: электроны переходят в валентную зону из зоны проводимости, отдавая при этом свою энергию кристаллической решетке и излучая кванты электромагнитного излучения. Так, каждой температуре соответствует равновесная концентрация дырок и электронов, зависящая от температуры согласно следующему выражению:

Есть еще примесная проводимость полупроводников, когда в кристалл чистого полупроводника вводят немного другого вещества, которое отличается более высокой или пониженной валентностью, по сравнению с основным веществом.

Если в чистом, скажем, в том же кремнии, количество дырок и свободных электронов равно, то есть они образуются все время парами, то в случае с добавленной в кремний примесью, например мышьяка, обладающего валентностью 5, количество дырок окажется меньше количества свободных электронов, то есть образуется полупроводник с большим количеством свободных электронов, отрицательно заряженных, это будет полупроводник n-типа (negative). А если подмешать индия, который обладает валентностью 3, то есть меньшей, чем у кремния, тогда будет больше дырок — это и будет полупроводник p-типа (positive).

Теперь, если привести полупроводники разной проводимости в соприкосновение, то в месте контакта получим p-n-переход. Электроны, перемещающиеся из n-области и дырки, перемещающиеся из p-области, станут двигаться друг к другу на встречу, и по разные стороны от контакта получатся области, с разноименными зарядами (по разные стороны от p-n-перехода): в n-области скопится положительный заряд, а в p-области — отрицательный. Разные части кристалла по отношению к переходу будут заряжены противоположно. Это положение очень важно для работы всех полупроводниковых приборов.

Простейшим примером такого прибора является полупроводниковый диод, где используется всего один p-n-переход, чего достаточно для достижения поставленной задачи — проводить ток лишь в одном направлении.

Электроны из n-области движутся по направлению к положительному полюсу источника питания, а дырки из p-области — в сторону отрицательного полюса. Вблизи перехода скопится достаточно положительных и отрицательных зарядов, сопротивление перехода сильно снизится, и по цепи пойдет ток.

В обратном включении диода ток пойдет в десятки тысяч раз меньший, поскольку электроны и дырки просто разнесет электрическим полем в разные стороны от перехода. На этом принципе работает диодный выпрямитель.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети: