Физика полупроводники: материалы для подготовки к ЕГЭ по Физике

материалы для подготовки к ЕГЭ по Физике

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: полупроводники, собственная и примесная проводимость полупроводников.

До сих пор, говоря о способности веществ проводить электрический ток, мы делили их на проводники и диэлектрики. Удельное сопротивление обычных проводников находится в интервале Ом·м; удельное сопротивление диэлектриков превышает эти величины в среднем на порядков: Ом·м.

Но существуют также вещества, которые по своей электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Это полупроводники: их удельное сопротивление при комнатной температуре может принимать значения в очень широком диапазоне Ом·м. К полупроводникам относятся кремний, германий, селен, некоторые другие химические элементы и соединения (Полупроводники чрезвычайно распространены в природе. Например, около 80% массы земной коры приходится на вещества, являющиеся полупроводниками). Наиболее широко примененяются кремний и германий .

Главная особенность полупроводников заключается в том, что их электропроводность резко увеличивается с повышением температуры. Удельное сопротивление полупроводника убывает с ростом температуры примерно так, как показано на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость для полупроводника

Иными словами, при низкой температуре полупроводники ведут себя как диэлектрики, а при высокой — как достаточно хорошие проводники. В этом состоит отличие полупроводников от металлов: удельное сопротивление металла, как вы помните, линейно возрастает с увеличением температуры.

Между полупроводниками и металлами имеются и другие отличия. Так, освещение полупроводника вызывает уменьшение его сопротивления (а на сопротивление металла свет почти не оказывает влияния). Кроме того, электропроводность полупроводников может очень сильно меняться при введении даже ничтожного количества примесей.

Опыт показывает, что, как и в случае металлов, при протекании тока через полупроводник не происходит переноса вещества. Стало быть, электрический ток в полупроводниках обусловлен движением электронов.

Уменьшение сопротивления полупроводника при его нагревании говорит о том, что повышение температуры приводит к увеличению количества свободных зарядов в полупроводнике. В металлах ничего такого не происходит; следовательно, полупроводники обладают иным механизмом электропроводности, чем металлы. И причина этого — различная природа химической связи между атомами металлов и полупроводников.

Ковалентная связь

Металлическая связь, как вы помните, обеспечивается газом свободных электронов, который, подобно клею, удерживает положительные ионы в узлах кристаллической решётки. Полупроводники устроены иначе — их атомы скрепляет ковалентная связь. Давайте вспомним, что это такое.

Электроны, находящиеся на внешнем электронном уровне и называемые валентными, слабее связаны с атомом, чем остальные электроны, которые расположены ближе к ядру. В процессе образования ковалентной связи два атома вносят «в общее дело» по одному своему валентному электрону. Эти два электрона обобществляются, то есть теперь принадлежат уже обоим атомам, и потому называются общей электронной парой (рис. 2).

Рис. 2. Ковалентная связь

Обобществлённая пара электронов как раз и удерживает атомы друг около друга (с помощью сил электрического притяжения). Ковалентная связь — это связь, существующая между атомами за счёт общих электронных пар. По этой причине ковалентная связь называется также парноэлектронной.

Кристаллическая структура кремния

Теперь мы готовы подробнее изучить внутреннее устройство полупроводников. В качестве примера рассмотрим самый распространённый в природе полупроводник — кремний. Аналогичное строение имеет и второй по важности полупроводник — германий.

Пространственная структура кремния представлена на рис. 3 (автор картинки — Ben Mills). Шариками изображены атомы кремния, а трубки, их соединяющие, — это каналы ковалентной связи между атомами.

Рис. 3. Кристаллическая структура кремния

Обратите внимание, что каждый атом кремния скреплён с четырьмя соседними атомами. Почему так получается?

Дело в том, что кремний четырёхвалентен — на внешней электронной оболочке атома кремния расположены четыре валентных электрона. Каждый из этих четырёх электронов готов образовать общую электронную пару с валентным электроном другого атома. Так и происходит! В результате атом кремния окружается четырьмя пристыковавшимися к нему атомами, каждый из которых вносит по одному валентному электрону. Соответственно, вокруг каждого атома оказывается по восемь электронов (четыре своих и четыре чужих).

Более подробно мы видим это на плоской схеме кристаллической решётки кремния (рис. 4).

Рис. 4. Кристаллическая решётка кремния

Ковалентные связи изображены парами линий, соединяющих атомы; на этих линиях находятся общие электронные пары. Каждый валентный электрон, расположенный на такой линии, большую часть времени проводит в пространстве между двумя соседними атомами.

Однако валентные электроны отнюдь не «привязаны намертво» к соответствующим парам атомов. Происходит перекрытие электронных оболочек всех соседних атомов, так что любой валентный электрон есть общее достояние всех атомов-соседей. От некоторого атома 1 такой электрон может перейти к соседнему с ним атому 2, затем — к соседнему с ним атому 3 и так далее. Валентные электроны могут перемещаться по всему пространству кристалла — они, как говорят, принадлежат всему кристаллу (а не какой-либо одной атомной паре).

Тем не менее, валентные электроны кремния не являются свободными (как это имеет место в металле). В полупроводнике связь валентных электронов с атомами гораздо прочнее, чем в металле; ковалентные связи кремния не разрываются при невысоких температурах. Энергии электронов оказывается недостаточно для того, чтобы под действием внешнего электрического поля начать упорядоченное движение от меньшего потенциала к большему. Поэтому при достаточно низких температурах полупроводники близки к диэлектрикам — они не проводят электрический ток.

Собственная проводимость

Если включить в электрическую цепь полупроводниковый элемент и начать его нагревать, то сила тока в цепи возрастает. Следовательно, сопротивление полупроводника уменьшается с ростом температуры. Почему это происходит?

При повышении температуры тепловые колебания атомов кремния становятся интенсивнее, и энергия валентных электронов возрастает. У некоторых электронов энергия достигает значений, достаточных для разрыва ковалентных связей. Такие электроны покидают свои атомы и становятся свободными (или электронами проводимости) — точно так же, как в металле. Во внешнем электрическом поле свободные электроны начинают упорядоченное движение, образуя электрический ток.

Чем выше температура кремния, тем больше энергия электронов, и тем большее количество ковалентных связей не выдерживает и рвётся. Число свободных электронов в кристалле кремния возрастает, что и приводит к уменьшению его сопротивления.

Разрыв ковалентных связей и появление свободных электронов показан на рис. 5. На месте разорванной ковалентной связи образуется дырка — вакантное место для электрона. Дырка имеет положительный заряд, поскольку с уходом отрицательно заряженного электрона остаётся нескомпенсированный положительный заряд ядра атома кремния.

Рис. 5. Образование свободных электронов и дырок

Дырки не остаются на месте — они могут блуждать по кристаллу. Дело в том, что один из соседних валентных электронов, «путешествуя» между атомами, может перескочить на образовавшееся вакантное место, заполнив дырку; тогда дырка в этом месте исчезнет, но появится в том месте, откуда электрон пришёл.

При отсутствии внешнего электрического поля перемещение дырок носит случайный характер, ибо валентные электроны блуждают между атомами хаотически. Однако в электрическом поле начинается направленное движение дырок. Почему? Понять это несложно.

На рис. 6 изображён полупроводник, помещённый в электрическое поле . В левой части рисунка — начальное положение дырки.

Рис. 6. Движение дырки в электрическом поле

Куда сместится дырка? Ясно, что наиболее вероятны перескоки «электрон > дырка» в направлении против линий поля (то есть к «плюсам», создающим поле). Один из таких перескоков показан в средней части рисунка: электрон прыгнул влево, заполнив вакансию, а дырка, соответственно, сместилась вправо. Следующий возможный скачок электрона, вызванный электрическим полем, изображён в правой части рисунка; в результате этого скачка дырка заняла новое место, расположенное ещё правее.

Мы видим, что дырка в целом перемещается по направлению линий поля — то есть туда, куда и полагается двигаться положительным зарядам. Подчеркнём ещё раз, что направленное движение дырки вдоль поля вызвано перескоками валентных электронов от атома к атому, происходящими преимущественно в направлении против поля.

Таким образом, в кристалле кремния имеется два типа носителей заряда: свободные электроны и дырки. При наложении внешнего электрического поля появляется электрический ток, вызванный их упорядоченным встречным движением: свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряжённости поля , а дырки — в направлении вектора .

Возникновение тока за счёт движения свободных электронов называется электронной проводимостью, или проводимостью n-типа. Процесс упорядоченного перемещения дырок называется дырочной проводимостью,или проводимостью p-типа (от первых букв латинских слов negativus (отрицательный) и positivus (положительный)). Обе проводимости — электронная и дырочная — вместе называются собственной проводимостью полупроводника.

Каждый уход электрона с разорванной ковалентной связи порождает пару «свободный электрон–дырка». Поэтому концентрация свободных электронов в кристалле чистого кремния равна концентрации дырок. Соответственно, при нагревании кристалла увеличивается концентрация не только свободных электронов, но и дырок, что приводит к возрастанию собственной проводимости полупроводника за счёт увеличения как электронной, так и дырочной проводимости.

Наряду с образованием пар «свободный электрон–дырка» идёт и обратный процесс: рекомбинация свободных электронов и дырок. А именно, свободный электрон, встречаясь с дыркой, заполняет эту вакансию, восстанавливая разорванную ковалентную связь и превращаясь в валентный электрон. Таким образом, в полупроводнике устанавливается динамическое равновесие: среднее число разрывов ковалентных связей и образующихся электронно-дырочных пар в единицу времени равно среднему числу рекомбинирующих электронов и дырок. Это состояние динамического равновесия определяет равновесную концентрацию свободных электронов и дырок в полупроводнике при данных условиях.

Изменение внешних условий смещает состояние динамического равновесия в ту или иную сторону. Равновесное значение концентрации носителей заряда при этом, естественно, изменяется. Например, число свободных электронов и дырок возрастает при нагревании полупроводника или при его освещении.

При комнатной температуре концентрация свободных электронов и дырок в кремнии приблизительно равно см. Концентрация же атомов кремния — порядка см. Иными словами, на атомов кремния приходится лишь один свободный электрон! Это очень мало. В металлах, например, концентрация свободных электронов примерно равна концентрации атомов. Соответственно, собственная проводимость кремния и других полупроводников при нормальных условиях мала по сравнению с проводимостью металлов.

Примесная проводимость

Важнейшей особенностью полупроводников является то, что их удельное сопротивление может быть уменьшено на несколько порядков в результате введения даже весьма незначительного количества примесей. Помимо собственной проводимости у полупроводника возникает доминирующая примесная проводимость. Именно благодаря этому факту полупроводниковые приборы нашли столь широкое применение в науке и технике.
Предположим, например, что в расплав кремния добавлено немного пятивалентного мышьяка . После кристаллизации расплава оказывается, что атомы мышьяка занимают места в некоторых узлах сформировавшейся кристаллической решётки кремния.

На внешнем электронном уровне атома мышьяка имеется пять электронов. Четыре из них образуют ковалентные связи с ближайшими соседями — атомами кремния (рис. 7). Какова судьба пятого электрона, не занятого в этих связях?

Рис. 7. Полупроводник n-типа

А пятый электрон становится свободным! Дело в том, что энергия связи этого «лишнего» электрона с атомом мышьяка, расположенным в кристалле кремния, гораздо меньше энергии связи валентных электронов с атомами кремния. Поэтому уже при комнатной температуре почти все атомы мышьяка в результате теплового движения остаются без пятого электрона, превращаясь в положительные ионы. А кристалл кремния, соответственно, наполняется свободными электронами, которые отцепились от атомов мышьяка.

Наполнение кристалла свободными электронами для нас не новость: мы видели это и выше, когда нагревался чистый кремний (без каких-либо примесей). Но сейчас ситуация принципиально иная: появление свободного электрона, ушедшего из атома мышьяка, не сопровождается появлением подвижной дырки. Почему? Причина та же — связь валентных электронов с атомами кремния гораздо прочнее, чем с атомом мышьяка на пятой вакансии, поэтому электроны соседних атомов кремния и не стремятся эту вакансию заполнить. Вакансия, таким образом, остаётся на месте, она как бы «приморожена» к атому мышьяка и не участвует в создании тока.

Таким образом, внедрение атомов пятивалентного мышьяка в кристаллическую решётку кремния создаёт электронную проводимость, но не приводит к симметричному появлению дырочной проводимости. Главная роль в создании тока теперь принадлежит свободным электронам, которые в данном случае называются основными носителями заряда.

Механизм собственной проводимости, разумеется, продолжает работать и при наличии примеси: ковалентные связи по-прежнему рвутся за счёт теплового движения, порождая свободные электроны и дырки. Но теперь дырок оказывается гораздо меньше, чем свободных электронов, которые в большом количестве предоставлены атомами мышьяка. Поэтому дырки в данном случае будут неосновными носителями заряда.

Примеси, атомы которых отдают свободные электроны без появления равного количества подвижных дырок, называются донорными. Например, пятивалентный мышьяк — донорная примесь. При наличии в полупроводнике донорной примеси основными носителями заряда являются свободные электроны, а неосновными — дырки; иными словами, концентрация свободных электронов намного превышает концентрацию дырок. Поэтому полупроводники с донорными примесями называются электронными полупроводниками, или полупроводниками n-типа (или просто n-полупроводниками).

А насколько, интересно, концентрация свободных электронов может превышать концентрацию дырок в n-полупроводнике? Давайте проведём простой расчёт.

Предположим, что примесь составляет , то есть на тысячу атомов кремния приходится один атом мышьяка. Концентрация атомов кремния, как мы помним, порядка см.

Концентрация атомов мышьяка, соответственно, будет в тысячу раз меньше: см. Такой же окажется и концентрация свободных электронов, отданных примесью — ведь каждый атом мышьяка отдаёт по электрону. А теперь вспомним, что концентрация электронно-дырочных пар, появляющихся при разрывах ковалентных связей кремния, при комнатной температуре примерно равна см. Чувствуете разницу? Концентрация свободных электронов в данном случае больше концентрации дырок на порядков, то есть в миллиард раз! Соответственно, в миллиард раз уменьшается удельное сопротивление кремниевого полупроводника при введении столь небольшого количества примеси.

Приведённый расчёт показывает, что в полупроводниках n-типа основную роль действительно играет электронная проводимость. На фоне столь колоссального превосходства численности свободных электронов вклад движения дырок в общую проводимость пренебрежимо мал.

Можно, наоборот, создать полупроводник с преобладанием дырочной проводимости. Так получится, если в кристалл кремния внедрить трёхвалентную примесь — например, индий . Результат такого внедрения показан на рис. 8.

Рис. 8. Полупроводник p-типа

Что происходит в этом случае? На внешнем электронном уровне атома индия расположены три электрона, которые формируют ковалентные связи с тремя окружающими атомами кремния. Для четвёртого соседнего атома кремния у атома индия уже не хватает электрона, и в этом месте возникает дырка.

И дырка эта не простая, а особенная — с весьма большой энергией связи. Когда в неё попадёт электрон из соседнего атома кремния, он в ней «застрянет навеки», ибо притяжение электрона к атому индия весьма велико — больше, чем к атомам кремния. Атом индия превратится в отрицательный ион, а в том месте, откуда электрон пришёл, возникнет дырка — но теперь уже обыкновенная подвижная дырка в виде разорванной ковалентной связи в кристаллической решётке кремния. Эта дырка обычным образом начнёт блуждать по кристаллу за счёт «эстафетной» передачи валентных электронов от одного атома кремния к другому.

И так, каждый примесный атом индия порождает дырку, но не приводит к симметричному появлению свободного электрона. Такие примеси, атомы которых захватывают «намертво» электроны и тем самым создают в кристалле подвижную дырку, называются акцепторными.

Трёхвалентный индий — пример акцепторной примеси.

Если в кристалл чистого кремния ввести акцепторную примесь, то число дырок, порождённых примесью, будет намного больше числа свободных электронов, возникших за счёт разрыва ковалентных связей между атомами кремния. Полупроводник с акцепторной примесью — это дырочный полупроводник, или полупроводник p-типа (или просто p-полупроводник).

Дырки играют главную роль при создании тока в p-полупроводнике; дырки — основные носители заряда. Свободные электроны — неосновные носители заряда в p-полупроводнике. Движение свободных электронов в данном случае не вносит существенного вклада: электрический ток обеспечивается в первую очередь дырочной проводимостью.

p–n-переход

Место контакта двух полупроводников с различными типами проводимости (электронной и дырочной) называется электронно-дырочным переходом, или p–n-переходом. В области p–n-перехода возникает интересное и очень важное явление — односторонняя проводимость.

На рис. 9 изображён контакт областей p- и n-типа; цветные кружочки — это дырки и свободные электроны, которые являются основными (или неосновными) носителями заряда в соответствующих областях.

Рис. 9. Запирающий слой p–n-перехода

Совершая тепловое движение, носители заряда проникают через границу раздела областей.

Свободные электроны переходят из n-области в p-область и рекомбинируют там с дырками; дырки же диффундируют из p-области в n-область и рекомбинируют там с электронами.

В результате этих процессов в электронном полупроводнике около границы контакта остаётся нескомпенсированный заряд положительных ионов донорной примеси, а в дырочном полупроводнике (также вблизи границы) возникает нескомпенсированный отрицательный заряд ионов акцепторной примеси. Эти нескомпенсированные объёмные заряды образуют так называемый запирающий слой , внутреннее электрическое поле которого препятствует дальнейшей диффузии свободных электронов и дырок через границу контакта.

Подключим теперь к нашему полупроводниковому элементу источник тока, подав «плюс» источника на n-полупроводник, а «минус» — на p-полупроводник (рис. 10).

Рис. 10. Включение в обратном направлении: тока нет

Мы видим, что внешнее электрическое поле уводит основные носители заряда дальше от границы контакта. Ширина запирающего слоя увеличивается, его электрическое поле возрастает. Сопротивление запирающего слоя велико, и основные носители не в состоянии преодолеть p–n-переход. Электрическое поле позволяет переходить границу лишь неосновным носителям, однако ввиду очень малой концентрации неосновных носителей создаваемый ими ток пренебрежимо мал.

Рассмотренная схема называется включением p–n-перехода в обратном направлении. Электрического тока основных носителей нет; имеется лишь ничтожно малый ток неосновных носителей. В данном случае p–n-переход оказывается закрытым.

Теперь поменяем полярность подключения и подадим «плюс» на p-полупроводник, а «минус»—на n-полупроводник (рис. 11). Эта схема называется включением в прямом направлении.

Рис. 11. Включение в прямом направлении: ток идёт

В этом случае внешнее электрическое поле направлено против запирающего поля и открывает путь основным носителям через p–n-переход. Запирающий слой становится тоньше, его сопротивление уменьшается.

Происходит массовое перемещение свободных электронов из n-области в p-область, а дырки, в свою очередь, дружно устремляются из p-области в n-область.

В цепи возникает ток , вызванный движением основных носителей заряда (Теперь, правда, электрическое поле препятствует току неосновных носителей, но этот ничтожный фактор не оказывает заметного влияния на общую проводимость).

Односторонняя проводимость p–n-перехода используется в полупроводниковых диодах. Диодом называется устройство, проводящие ток в лишь одном направлении; в противоположном направлении ток через диод не проходит (диод, как говорят, закрыт). Схематическое изображение диода показано на рис. 12.

Рис. 12. Диод

В данном случае диод открыт в направлении слева направо: заряды как бы текут вдоль стрелки (видите её на рисунке?). В направлении справа налево заряды словно упираются в стенку — диод закрыт.

Урок физики на тему «Полупроводники. Электрический ток через контакт полупроводников p-n типов. Полупроводниковый диод. Транзисторы»

Урок в 10-м классе.

Тема: «Полупроводники. Электрический ток через контакт полупроводников р- и n—типов. Полупроводниковый диод. Транзисторы».

Цели:

• образовательные: сформировать представление о свободных носителях электрического заряда в полупроводниках при наличии примесей с точки зрения электронной теории и опираясь на эти знания выяснить физическую сущность p-n-перехода; научить учащихся объяснять работу полупроводниковых приборов, опираясь на знания о физической сущности p-n-перехода;
• развивающие: развивать физическое мышление учащихся, умение самостоятельно формулировать выводы, расширять познавательный интерес, по­знавательную активность;
• воспитательные: продолжить формирование научного мировоззрения школьников.

Оборудование: презентация по теме: «Полупроводники. Электрический ток через контакт полупроводников р- и n—типов. Полупроводниковый диод. Транзистор», мультимедийный проектор. 

Ход урока

I. Организационный момент.

II. Изучение нового материала.

Слайд 1.

Слайд 2. Полупроводник – вещество, у которого удельное сопротивление может изменяться в широких пределах и очень быстро убывает с повышением температуры, а это значит, что электрическая проводимость (1/R) увеличивается.

Наблюдается у кремния, германия, селена и у некоторых соединений.

Слайд 3.

Механизм проводимости у полупроводников

Слайд 4.

Кристаллы полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку, где внешние Слайд 5.электроны связаны с соседними атомами ковалентными связями.

При низких температурах у чистых полупроводников свободных электронов нет и они ведут себя как диэлектрики.

Полупроводники чистые (без примесей)

Если полупроводник чистый(без примесей), то он обладает собственной проводимостью, которая невелика.

Собственная проводимость бывает двух видов:

Слайд 6. 1) электронная (проводимость «n » – типа)

При низких температурах в полупроводниках все электроны связаны с ядрами и сопротивление большое; при увеличении температуры кинетическая энергия частиц увеличивается, рушатся связи и возникают свободные электроны – сопротивление уменьшается.

Свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряженности электрического поля.

Электронная проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов.

10¹⁷ 10²⁴

Слайд 7.

2) дырочная (проводимость » p» – типа)

При увеличении температуры разрушаются ковалентные связи, осуществляемые валентными электронами, между атомами и образуются места с недостающим электроном – «дырка».

Она может перемещаться по всему кристаллу, т.к. ее место может замещаться валентными электронами. Перемещение «дырки» равноценно перемещению положительного заряда.

Перемещение дырки происходит в направлении вектора напряженности электрического поля.

Кроме нагревания, разрыв ковалентных связей и возникновение собственной проводимости полупроводников могут быть вызваны освещением (фотопроводимость) и действием сильных электрических полей. Поэтому полупроводники обладают ещё и дырочной проводимостью.

Общая проводимость чистого полупроводника складывается из проводимостей «p» и «n» -типов и называется электронно-дырочной проводимостью.

Полупроводники при наличии примесей

У таких полупроводников существует собственная + примесная проводимость.

Наличие примесей проводимость сильно увеличивает.

При изменении концентрации примесей изменяется число носителей электрического тока – электронов и дырок.

Возможность управления током лежит в основе широкого применения полупроводников.

Существуют:

Слайд 8. 1) донорные примеси (отдающие) – являются дополнительными поставщиками электронов в кристаллы полупроводника, легко отдают электроны и увеличивают число свободных электронов в полупроводнике.

Слайд 9. Это проводники » n » – типа, т.е. полупроводники с донорными примесями, где основной носитель заряда – электроны, а неосновной – дырки.

 Такой полупроводник обладает электронной примесной проводимостью. Например – мышьяк.

Слайд 10. 2) акцепторные примеси (принимающие) – создают «дырки» , забирая в себя электроны.

Это полупроводники » p «- типа, т.е. полупроводники с акцепторными примесями, где основной носитель заряда – дырки, а неосновной – электроны.

Такой полупроводник обладает дырочной примесной проводимостью. Слайд 11. Например – индий. Слайд 12.

Рассмотрим, какие физические процессы происходят при контакте двух полупроводников с различным типом проводимости, или, как говорят, в р—n-переходе.

Слайд 13-16.

Электрические свойства «p-n» перехода

«p-n» переход (или электронно-дырочный переход) – область контакта двух полупроводников, где происходит смена проводимости с электронной на дырочную (или наоборот).

В кристалле полупроводника введением примесей можно создать такие области. В зоне контакта двух полупроводников с различными проводимостями будет проходить взаимная диффузия. электронов и дырок и образуется запирающий электрический слой. Электрическое поле запирающего слоя препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с другими областями полупроводника.

Внешнее электрическое поле влияет на сопротивление запирающего слоя.

При прямом (пропускном) направлении внешнего электрического поля электрический ток проходит через границу двух полупроводников.

Т.к. электроны и дырки движутся навстречу друг другу к границе раздела, то электроны, переходя границу, заполняют дырки. Толщина запирающего слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются.

Пропускной режим р-n перехода:

При запирающем (обратном) направлении внешнего электрического поля электрический ток через область контакта двух полупроводников проходить не будет.

Т.к. электроны и дырки перемещаются от границы в противоположные стороны, то запирающий слой утолщается, его сопротивление увеличивается.

Запирающий режим р-n перехода:

Таким образом, электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью.

Полупроводниковые диоды

Полупроводник с одним «p-n» переходом называется полупроводниковым диодом.

– Ребята, запишите новую тему: «Полупроводниковый диод».

– Какой там ещё идиот?», – с улыбкой переспросил Васечкин.

– Не идиот, а диод! – ответил учитель, – Диод, значит имеющий два электрода, анод и катод. Вам ясно?

– А у Достоевского есть такое произведение – «Идиот», – настаивал Васечкин.

– Да, есть, ну и что? Вы на уроке физики, а не литературы! Прошу больше не путать диод с идиотом!

Слайд 17–21.

При наложении эл.поля в одном направлении сопротивление полупроводника велико, в обратном – сопротивление мало.

Полупроводниковые диоды основные элементы выпрямителей переменного тока.

Слайд 22–25.

Транзисторами называют полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний.

Полупроводниковые транзисторы – также используются свойства» р-n «переходов, — транзисторы используются в схемотехнике радиоэлектронных приборов.

В большую «семью» полупроводниковых приборов, называемых транзисторами, входят два вида: биполярные и полевые. Первые из них, чтобы как – то отличить их от вторых, часто называют обычными транзисторами. Биполярные транзисторы используются наиболее широко. Именно с них мы пожалуй и начнем. Термин «транзистор» образован из двух английских слов: transfer – преобразователь и resistor – сопротивление. В упрощенном виде биполярный транзистор представляет собой пластину полупроводника с тремя (как в слоеном пироге) чередующимися областями разной электропроводности (рис. 1), которые образуют два р – n перехода. Две крайние области обладают электропроводностью одного типа, средняя – электропроводностью другого типа. У каждой области свой контактный вывод. Если в крайних областях преобладает дырочная электропроводность, а в средней электронная (рис. 1, а), то такой прибор называют транзистором структуры p – n – р. У транзистора структуры n – p – n, наоборот, по краям расположены области с электронной электропроводностью, а между ними – область с дырочной электропроводностью (рис. 1, б).

При подаче на базу транзистора типа n-p-n положительного напряжения он открывается, т. е. сопротивление между эмиттером и коллектором уменьшается, а при подаче отрицательного, наоборот – закрывается и чем сильнее сила тока, тем сильнее он открывается или закрывается. Для транзисторов структуры p-n-p все наоборот.

Основой биполярного транзистора (рис. 1) служит небольшая пластинка германия или кремния, обладающая электронной или дырочной электропроводимостью, то есть n-типа или p-типа. На поверхности обеих сторон пластинки наплавляют шарики примесных элементов. При нагревании до строго определенной температуры происходи диффузия (проникновение) примесных элементов в толщу пластинки полупроводника. В результате в толще пластинки возникают две области, противоположные ей по электропроводимости. Пластинка германия или кремния p-типа и созданные в ней области n-типа образуют транзистор структуры n-p-n (рис. 1,а), а пластинка n-типа и созданные в ней области p-типа — транзистор структуры p-n-p (рис. 1,б).

Независимо от структуры транзистора его пластинку исходного полупроводника называют базой (Б), противоположную ей по электропроводимости область меньшего объема — эмиттером (Э), а другую такую же область большего объема — коллектором (К). Эти три электрода образуют два p-n перехода: между базой и коллектором — коллекторный, а между базой и эмиттером — эмиттерный. Каждый из них по своим электрическим свойствам аналогичен p-n переходам полупроводниковых диодов и открывается при таких же прямых напряжениях на них.

Условные графические обозначения транзисторов разных структур отличаются лишь тем, что стрелка, символизирующая эмиттер и направление тока через эмиттерный переход, у транзистора структуры p-n-p обращена к базе, а у транзистора n-p-n — от базы.

Слайд 26–29.

III. Первичное закрепление.

1. Какие вещества называются полупроводниками?
2. Какую проводимость называют электронной?
3. Какая проводимость наблюдается ещё у полупроводников?
4. О каких примесях теперь вам известно?
5. В чем заключается пропускной режим p-n- перехода.
6. В чем заключается запирающий режим p-n- перехода.
7. Какие полупроводниковые приборы вам известны?
8. Где и для чего используют полупроводниковые приборы?

IV. Закрепление изученного

1. Как меняется удельное сопротивление полупроводников: при нагревании? При освещении?
2. Будет ли кремний сверхпроводящим, если его охладить до температуры, близкой к абсолютному нулю? (нет, с понижением температуры сопротивление кремния увеличивается).

V. Домашнее задание.

§ 113-116 – учить, пов.{–10}$ Ом^–1·см^–1) (про­во­ди­мость ука­за­на при ком­нат­ной темп-ре). Ха­рак­тер­ной осо­бен­но­стью П. яв­ля­ет­ся силь­ная за­ви­си­мость их про­во­ди­мо­сти от темп-ры, при­чём в дос­та­точ­но ши­ро­ком ин­тер­ва­ле темпе­ра­тур про­во­ди­мость П., в от­ли­чие от ме­тал­лов, экс­по­нен­ци­аль­но уве­ли­чи­ва­ет­ся с рос­том темп-ры $T$: $$σ=σ_0\exp(–ℰ_a/kT).\tag{*}$$ Здесь $k$ – по­сто­ян­ная Больц­ма­на, $ℰ_a$ – энер­гия ак­ти­ва­ции элек­тро­нов в П., ко­то­рая мо­жет ме­нять­ся от не­сколь­ких мэВ до не­сколь­ких эВ, $σ_0$ – ко­эф. про­пор­цио­наль­но­сти, ко­то­рый так­же за­ви­сит от темп-ры, но эта за­ви­си­мость бо­лее сла­бая, чем экс­по­нен­ци­аль­ная. С по­вы­ше­ни­ем темп-ры те­п­ло­вое дви­же­ние раз­ры­ва­ет часть хи­мич. свя­зей в ато­мах П. и элек­тро­ны, чис­ло ко­то­рых про­пор­цио­наль­но $\exp(–ℰ_a/kT)$, ста­но­вят­ся сво­бод­ны­ми и уча­ст­ву­ют в элек­трич. про­во­ди­мо­сти. Энер­гия, не­об­хо­ди­мая для то­го, что­бы ра­зо­рвать хи­мич. связь и сде­лать ва­лент­ный элек­трон сво­бод­ным, на­зы­ва­ет­ся энер­ги­ей ак­ти­ва­ции.

П. и ди­элек­три­ки от­но­сят к од­но­му клас­су ма­те­риа­лов; раз­ли­чие ме­ж­ду ни­ми яв­ля­ет­ся ско­рее ко­ли­че­ст­вен­ным, чем ка­че­ст­вен­ным. Про­во­ди­мость ди­элек­три­ков так­же име­ет ак­ти­ва­ци­он­ный ха­рак­тер, од­на­ко $ℰ_a$ для них со­став­ля­ет 10 эВ и бо­лее, по­это­му собств. про­во­ди­мость ди­элек­три­ков мог­ла бы стать су­ще­ст­вен­ной толь­ко при очень вы­со­ких темп-рах, при ко­то­рых уже на­сту­па­ют струк­тур­ные из­ме­не­ния ве­ще­ст­ва. В свя­зи с этим тер­мин «П.» час­то по­ни­ма­ют в уз­ком смыс­ле как со­во­куп­ность ве­ществ, по­лу­про­вод­ни­ко­вые свой­ст­ва ко­то­рых яр­ко вы­ра­же­ны при ком­нат­ной темп-ре (300 К).

Хи­мич. свя­зи мо­гут быть ра­зо­рва­ны не толь­ко те­п­ло­вым дви­же­ни­ем, но и разл. внеш­ни­ми воз­дей­ст­вия­ми: элек­тро­маг­нит­ным из­лу­че­ни­ем, по­то­ком бы­ст­рых час­тиц, де­фор­ма­ци­ей, силь­ным элек­т­рич. и маг­нит­ным по­ля­ми и др. По­это­му для П. ха­рак­тер­на вы­со­кая чув­ст­ви­тель­ность про­во­ди­мо­сти к внеш­ним воз­дей­ст­ви­ям, а так­же к кон­цен­тра­ции струк­тур­ных де­фек­тов и при­ме­сей.

Классификация полупроводников

По аг­ре­гат­но­му со­стоя­нию П. де­лят­ся на твёр­дые и жид­кие (см. Жид­кие по­лу­про­вод­ни­ки), по внутр. струк­ту­ре – на кри­стал­лич. и аморф­ные (см. Аморф­ные и стек­ло­об­раз­ные по­лу­про­вод­ни­ки), по хи­мич. со­ста­ву – на не­ор­га­ни­че­ские и ор­га­ни­че­ские. Наи­бо­лее ши­ро­ко изу­че­ны и ис­поль­зу­ют­ся в по­лу­про­вод­ни­ко­вой элек­тро­ни­ке кри­стал­лич. не­ор­га­нич. П. К ним от­но­сят­ся:

– эле­мен­тар­ные П. – эле­мен­ты IV груп­пы ко­рот­кой фор­мы пе­рио­дич. сис­те­мы хи­мич. эле­мен­тов – уг­ле­род С (гра­фит, ал­маз, гра­фен, на­нот­руб­ки), гер­ма­ний Ge и крем­ний Si (ба­зо­вый эле­мент боль­шин­ст­ва ин­те­граль­ных схем в мик­ро­элек­тро­ни­ке), эле­мен­ты VI груп­пы – се­лен Se и тел­лур Te, а так­же их со­едине­ния, напр. кар­бид крем­ния SiC, об­ра­зую­щий слои­стые струк­ту­ры, и не­пре­рыв­ный ряд твёр­дых рас­тво­ров Si_xGe_1–x;

– со­еди­не­ния A^IIIB^V, где А=Al, Ga, In; В=N, Р, As, Sb, напр. GaAs, AlAs, InAs, InSb, GaN, GaP и др.

– со­еди­не­ния A^IIB^VI, где А=Zn, Cd, Hg; B=S, Se, Te, напр. ZnTe, ZnSe, ZnO, ZnS, CdTe, CdS, HgTe и др.;

– со­еди­не­ния эле­мен­тов I и V групп с эле­мен­та­ми VI груп­пы, напр. PbS, PbSe, PbTe, Bi₂Se₃, Bi₂Te₃,Cu₂O и др.;

– трой­ные и чет­вер­ные твёр­дые рас­т­во­ры на ос­но­ве со­еди­не­ний A III B V и A II B VI , напр. Ga_xAl_1–xAs, Ga_xAl_1–xN, Cd_xHg_1–xTe, Cd_xMn_1–xTe, Ga_xIn_1–xAs_yP_1–y и др.

При­ме­ры аморф­ных и стек­ло­об­раз­ных П.: аморф­ный гид­ри­ро­ван­ный крем­ний a-Si:H, аморф­ные Ge, Se, Te, мно­го­ком­по­нент­ные стек­ло­об­раз­ные спла­вы халь­ко­ге­ни­дов на ос­но­ве S, Se, Te.

К ор­га­ни­че­ским П. от­но­сят­ся: ряд ор­га­нич. кра­си­те­лей, аро­ма­тич. со­еди­не­ния (наф­та­лин, ан­тра­цен и др.), по­ли­ме­ры с со­пря­жён­ны­ми свя­зя­ми, не­ко­то­рые при­род­ные пиг­мен­ты. Ор­га­нич. П. су­ще­ст­ву­ют в ви­де мо­но­кри­стал­лов, по­ли­кри­стал­лич. или аморф­ных по­рош­ков и плё­нок. Дос­то­ин­ст­во ор­га­нич. П. – от­но­сит. де­ше­виз­на их про­из-ва и ме­ха­нич. гиб­кость. Они при­ме­ня­ют­ся как све­то­чув­ст­вит. ма­те­риа­лы для фо­то­эле­мен­тов и ПЗС-мат­риц; на их ос­нове соз­да­ны све­то­из­лу­чаю­щие дио­ды, в т. ч. для гиб­ких эк­ра­нов и мо­ни­то­ров.

Боль­шин­ст­во изу­чен­ных П. на­хо­дят­ся в кри­стал­лич. со­стоя­нии. Свой­ст­ва та­ких П. в зна­чит. ме­ре оп­ре­де­ля­ют­ся их хи­мич. со­ста­вом и сим­мет­ри­ей кри­с­тал­лич. ре­шёт­ки. Ато­мы крем­ния, об­ла­дая че­тырь­мя ва­лент­ны­ми элек­тро­на­ми, об­ра­зу­ют ку­бич. кри­стал­лич. ре­шёт­ку ти­па ал­ма­за с ко­ва­лент­ной свя­зью ато­мов (кри­стал­ло­гра­фич. класс $m\bar 3m$, или $O_h$). Та­кую же кри­стал­лич. ре­шёт­ку име­ют гер­ма­ний и се­рое оло­во. В GaAs ка­ж­дый атом об­ра­зу­ет 4 ва­лент­ные свя­зи с бли­жай­ши­ми со­се­дя­ми, в ре­зуль­та­те че­го по­лу­ча­ет­ся кри­стал­лич. ре­шёт­ка, по­доб­ная ре­шёт­ке ал­ма­за, в ко­то­рой бли­жай­ши­ми со­се­дя­ми ка­тио­на Ga яв­ля­ют­ся анио­ны As и на­обо­рот. За счёт час­тич­но­го пе­ре­рас­пре­де­ле­ния элек­тро­нов ато­мы Ga и As ока­зы­ва­ют­ся раз­но­имён­но за­ря­жен­ны­ми и свя­зи ме­ж­ду ато­ма­ми ста­но­вят­ся час­тич­но ион­ны­ми. Кри­стал­лич. ре­шёт­ка GaAs не об­ла­да­ет цен­тром ин­вер­сии, по­это­му в та­ких П. воз­ни­ка­ют эф­фек­ты, от­сут­ст­вую­щие в цен­тро­сим­мет­рич­ных по­лу­про­вод­ни­ко­вых струк­ту­рах, напр. пье­зо­элек­три­че­ст­во (см. Пье­зо­элек­три­ки), ге­не­ра­ция 2-й оп­тич. гар­мо­ни­ки, фо­то­галь­ва­ни­че­ские эф­фек­ты. Струк­ту­рой, по­доб­ной ар­се­ни­ду гал­лия, об­ла­да­ют InAs, InP, ZnTe, ZnSe и др.

Чис­тые и струк­тур­но со­вер­шен­ные П. по­лу­ча­ют в ре­зуль­та­те кри­стал­ли­за­ции из рас­пла­ва или рас­тво­ра. Для соз­да­ния тон­ких по­лу­про­вод­ни­ко­вых плё­нок при­ме­ня­ют ме­тод эпи­так­сии из жид­кой или га­зо­вой фа­зы.

Электроны и дырки в полупроводниках

В твёр­дом те­ле вол­но­вые функ­ции ва­лент­ных элек­тро­нов со­сед­них ато­мов пе­ре­кры­ва­ют­ся, их ва­лент­ные элек­тро­ны обоб­ще­ст­в­ля­ют­ся и воз­ни­ка­ет ус­той­чи­вая хи­мич. (ко­ва­лент­ная) связь. На ка­ж­дую связь ме­ж­ду ато­ма­ми при­хо­дит­ся по два элек­тро­на, и рас­пре­де­ле­ние элек­трон­ной плот­но­сти в про­стран­ст­ве ока­зы­ва­ет­ся жё­ст­ко фик­си­ро­ван­ным. Про­во­ди­мость П. по­яв­ля­ет­ся, ес­ли ра­зо­рвать свя­зи ме­ж­ду не­ко­то­ры­ми ато­ма­ми, напр., те­п­ло­вым или оп­тич. воз­дей­ст­ви­ем, пе­ре­дав не­боль­шой час­ти ва­лент­ных элек­тро­нов до­пол­нит. энер­гию и пе­ре­ве­дя их на ва­кант­ные (пус­тые) элек­трон­ные ор­би­та­ли, рас­по­ло­жен­ные вы­ше по энер­гии. Та­кие элек­т­ро­ны мо­гут сво­бод­но пе­ре­дви­гать­ся по кри­стал­лу, пе­ре­хо­дя с од­но­го ато­ма на дру­гой, и пе­ре­но­сить от­ри­цат. элек­трич. за­ряд. Ра­зо­рван­ная связь с не­дос­тат­ком элек­тро­на (дыр­ка) так­же мо­жет пе­ре­ме­щать­ся по кри­стал­лу за счёт пе­ре­хо­да на неё элек­тро­на из со­сед­ней свя­зи. По­сколь­ку ра­зо­рван­ная связь оз­на­ча­ет на­ли­чие ло­каль­но­го по­ло­жи­тель­но­го элек­трич. за­ря­да, дыр­ки пе­ре­но­сят по­ло­жи­тель­ный за­ряд. Дыр­ки, как и элек­тро­ны, мо­гут пе­ре­ме­щать­ся на зна­чит. рас­стоя­ния в пе­рио­дич. по­тен­циа­ле кри­стал­ла без рас­сея­ния.

В иде­аль­ных кри­стал­лах, не со­дер­жа­щих де­фек­тов и при­ме­сей, элек­тро­ны и дыр­ки все­гда по­яв­ля­ют­ся па́­ра­ми в си­лу со­хра­не­ния элек­трич. за­ря­да, од­на­ко под­виж­но­сти элек­тро­нов и ды­рок, как пра­ви­ло, раз­лич­ны. В ле­ги­ро­ван­ных П. кон­цен­тра­ции сво­бод­ных элек­тро­нов и ды­рок мо­гут раз­ли­чать­ся на неск. по­ряд­ков, так что элек­тро­про­вод­ность осу­ще­ст­в­ля­ет­ся прак­ти­че­ски пол­но­стью но­си­те­ля­ми за­ря­да од­но­го ти­па.

Чередование разрешённых и запрещённых энергетических зон в кристаллических полупроводниках. Заполнение разрешённых зон: (а) при абсолютном нуле температуры; (б) при отличной от нуля температуре. Чёрны…

По­сле­до­ва­тель­ное и стро­гое опи­са­ние со­стоя­ний но­си­те­лей за­ря­да и их дви­же­ния в кри­стал­лах мож­но сде­лать в рам­ках зон­ной тео­рии. Осн. со­стоя­ние крис­тал­ла при темп-ре 0 К фор­ми­ру­ет­ся за счёт по­сле­до­ва­тель­но­го за­пол­не­ния элек­тро­на­ми наи­низ­ших энер­ге­тич. со­стоя­ний. Со­глас­но прин­ци­пу Пау­ли, в ка­ж­дом со­стоя­нии с оп­ре­де­лён­ным зна­че­ни­ем спи­на мо­жет на­хо­дить­ся толь­ко один элек­трон. В за­ви­си­мо­сти от кри­стал­лич. струк­ту­ры и от чис­ла элек­тро­нов в ка­ж­дом из ато­мов, со­став­ляю­щих кри­сталл, воз­мож­ны два слу­чая: 1) элек­тро­ны пол­но­стью за­пол­ня­ют неск. ниж­них раз­ре­шён­ных зон, а все верх­ние зо­ны ос­та­ют­ся пус­ты­ми; 2) од­на из раз­ре­шён­ных зон за­пол­не­на час­тич­но. В пер­вом слу­чае рас­пре­де­ле­ние элек­трон­ной плот­но­сти в кри­стал­ле фик­си­ро­ва­но, элек­тро­ны не мо­гут уча­ст­во­вать в про­во­ди­мо­сти и кри­сталл яв­ля­ет­ся П. или ди­элек­три­ком. Во вто­ром слу­чае часть элек­тро­нов в пре­де­лах час­тич­но за­пол­нен­ной зо­ны мо­жет сво­бод­но пе­ре­ме­щать­ся по кри­стал­лу3 и крис­талл яв­ля­ет­ся ме­тал­лом. В П. и ди­элек­три­ках верх­няя пол­но­стью за­пол­нен­ная раз­ре­шён­ная зо­на энер­гий на­зы­ва­ет­ся ва­лент­ной зо­ной, ниж­няя пус­тая зо­на – зо­ной про­во­ди­мо­сти. Энер­ге­тич. ин­тер­вал ме­ж­ду дном (ми­ни­му­мом энер­гии) зо­ны про­во­ди­мо­сти и по­тол­ком (мак­си­му­мом энер­гии) ва­лент­ной зо­ны на­зы­ва­ет­ся ши­ри­ной за­пре­щён­ной зо­ны $ℰ_g$. Раз­ли­чие ме­ж­ду П. и ди­элек­три­ка­ми чис­то ко­ли­че­ст­вен­ное: ус­лов­но счи­та­ют, что ве­ще­ст­ва с $ℰ_g<2$ эВ яв­ля­ют­ся П., а с $ℰ_g>2$ эВ – ди­элек­три­ка­ми. При от­лич­ной от ну­ля темп-ре те­п­ло­вое дви­же­ние пе­ре­рас­пре­де­ля­ет элек­тро­ны по энер­гии: часть элек­тро­нов «за­бра­сы­ва­ет­ся» из ва­лент­ной зо­ны в зо­ну про­во­ди­мо­сти. При этом по­яв­ля­ют­ся сво­бод­ные но­си­те­ли за­ря­да – элек­тро­ны в зо­не про­во­ди­мо­сти и дыр­ки в ва­лент­ной зо­не (рис.). Ко­ли­че­ст­во сво­бод­ных элек­тро­нов и ды­рок экс­по­нен­ци­аль­но за­ви­сит от темп-ры, по­это­му тем­пе­ра­тур­ная за­ви­си­мость про­во­ди­мо­сти П. оп­ре­де­ля­ет­ся фор­му­лой ( * ).

В ши­ро­ком клас­се П. ши­ри­на энер­ге­тич. зон зна­чи­тель­но пре­вы­ша­ет те­п­ло­вую энер­гию при ком­нат­ной темп-ре (0,025 эВ), по­это­му но­си­те­ли за­ря­да за­пол­ня­ют со­стоя­ния толь­ко вбли­зи экс­тре­му­мов раз­ре­шён­ных зон, т. е. вбли­зи дна зо­ны про­во­ди­мо­сти и по­тол­ка ва­лент­ной зо­ны. За­ви­си­мость энер­гии от ква­зи­им­пуль­са вбли­зи экс­тре­му­ма час­то ока­зы­ва­ет­ся квад­ра­тич­ной, и мож­но вве­сти пред­став­ле­ние об эф­фек­тив­ной мас­се но­си­те­лей за­ря­да, ко­то­рая за­ви­сит от но­ме­ра раз­ре­шён­ной зо­ны и на­прав­ле­ния ква­зи­им­пуль­са. В не­ко­то­рых П. од­но­му зна­че­нию энер­гии от­ве­ча­ет неск. экс­тре­му­мов в пер­вой зо­не Брил­лю­эна и но­си­те­ли за­ря­да рас­пре­де­ле­ны по эк­ви­ва­лент­ным «до­ли­нам» (ок­ре­ст­но­стям экс­тре­му­мов). Та­кие П. на­зы­ва­ют мно­го­до­лин­ны­ми.

Примеси и дефекты в полупроводниках

Элек­трич. про­во­ди­мость П. мо­жет быть обу­слов­ле­на как элек­тро­на­ми соб­ственных ато­мов дан­но­го ве­ще­ст­ва (соб­ст­вен­ная про­во­ди­мость), так и элек­т­рона­ми и дыр­ка­ми при­мес­ных ато­мов (при­мес­ная про­во­ди­мость). Про­цесс вне­дре­ния при­ме­сей в П. для по­лу­че­ния не­об­хо­ди­мых фи­зич. свойств на­зы­ва­ет­ся ле­ги­ро­ва­ни­ем по­лу­про­вод­ни­ков. По­сколь­ку энер­гия свя­зи но­си­те­лей за­ря­да в при­мес­ных ато­мах со­став­ля­ет от не­сколь­ких мэВ до не­сколь­ких де­сят­ков мэВ, имен­но при­мес­ная про­во­ди­мость объ­яс­ня­ет экс­по­нен­ци­аль­ный рост кон­цен­тра­ции сво­бод­ных но­си­те­лей за­ря­да в боль­шин­ст­ве П. в ин­тер­ва­ле тем­пе­ра­тур вбли­зи ком­нат­ной.

При­ме­си в П. обыч­но вво­дят в про­цес­се рос­та струк­ту­ры, они мо­гут быть до­но­ра­ми или ак­цеп­то­ра­ми, т. е. по­став­щи­ка­ми элек­тро­нов или ды­рок. Ес­ли, напр., в гер­ма­ний Ge или крем­ний Si (эле­мен­ты IV груп­пы) вве­сти при­мес­ные ато­мы эле­мен­тов V груп­пы (As, P), то 4 внеш­них элек­тро­на этих ато­мов об­ра­зу­ют ус­той­чи­вую связь с че­тырь­мя со­сед­ни­ми ато­ма­ми ре­шёт­ки, а пя­тый элек­трон ока­жет­ся не­свя­зан­ным и бу­дет удер­жи­вать­ся око­ло при­мес­но­го ато­ма толь­ко за счёт ку­ло­нов­ско­го взаи­мо­дей­ст­вия, ос­лаб­лен­но­го ди­элек­трич. по­ля­ри­за­ци­ей сре­ды. Та­кой при­мес­ный атом яв­ля­ет­ся до­но­ром и лег­ко ио­ни­зу­ет­ся при ком­нат­ной темп-ре. Ак­цеп­тор воз­ни­ка­ет, напр., при вве­де­нии в Ge или Si эле­мен­тов III груп­пы (Ga, Al). В этом слу­чае для об­ра­зо­ва­ния всех че­ты­рёх свя­зей с бли­жай­ши­ми ато­ма­ми тре­бу­ет­ся до­пол­нит. элек­трон, ко­то­рый бе­рёт­ся из внутр. обо­ло­чек ато­мов, так что при­мес­ный атом ока­зы­ва­ет­ся за­ря­жен от­ри­ца­тель­но. Элек­тро­ней­траль­ность вос­ста­нав­ли­ва­ет­ся за счёт то­го, что внутр. не­за­пол­нен­ная ор­би­таль рас­пре­де­ля­ет­ся вбли­зи со­сед­них ато­мов ре­шёт­ки, рас­по­ло­жен­ных от при­мес­но­го на рас­стоя­ни­ях, пре­вос­хо­дя­щих меж­атом­ное рас­стоя­ние. На­ли­чие до­но­ров или ак­цеп­то­ров при­во­дит со­от­вет­ст­вен­но к про­во­ди­мо­сти n- или р-ти­па.

П., в ко­то­рых мо­гут од­но­вре­мен­но су­ще­ст­во­вать ак­цеп­тор­ные и до­нор­ные при­ме­си, на­зы­ва­ют­ся ком­пен­си­ро­ван­ны­ми. Ком­пен­са­ция при­ме­сей при­во­дит к то­му, что часть элек­тро­нов от до­но­ров пе­ре­хо­дит к ак­цеп­то­рам, и в ре­зуль­та­те воз­ни­ка­ет зна­чит. кон­цен­тра­ция ио­нов, ко­то­рые эф­фек­тив­но влия­ют на про­во­ди­мость по­лу­про­вод­ни­ков.

Ам­пли­ту­да вол­но­вой функ­ции элек­тро­нов или ды­рок, ло­ка­ли­зо­ван­ных на при­мес­ных ато­мах, со­став­ля­ет 1–10 нм. Это оз­на­ча­ет, что при кон­цен­тра­ции при­мес­ных ато­мов ок. 10¹⁸ см^–3 вол­но­вые функ­ции элек­тро­нов и ды­рок со­сед­них ато­мов на­чи­на­ют пе­ре­кры­вать­ся, но­си­те­ли за­ря­да мо­гут пе­ре­хо­дить от ио­на к ио­ну и П. ста­но­вит­ся вы­ро­ж­ден­ным (см. Вы­ро­ж­ден­ные по­лу­про­вод­ни­ки). Та­кие П. на­зы­ва­ют­ся силь­но­ле­ги­ро­ва­ны­ми. Из-за силь­но­го эк­ра­ни­ро­ва­ния ку­ло­нов­ско­го при­тя­же­ния но­си­те­ли за­ря­да в них ока­зы­ва­ют­ся сво­бод­ны­ми да­же при та­ких низ­ких темп-рах, при ко­то­рых бы­ла не­воз­мож­на тер­мич. ак­ти­ва­ция элек­тро­на или дыр­ки из изо­ли­ро­ван­но­го ато­ма.

В от­сут­ст­вие внеш­не­го элек­трич. по­ля или ос­ве­ще­ния кон­цен­тра­ция сво­бод­ных но­си­те­лей за­ря­да на­зы­ва­ет­ся рав­но­вес­ной и оп­ре­де­ля­ет­ся ши­ри­ной за­пре­щён­ной зо­ны П., эф­фек­тив­ны­ми мас­са­ми но­си­те­лей за­ря­да, кон­цен­тра­ци­ей при­ме­сей и энер­ги­ей свя­зи при­мес­ных но­си­те­лей за­ря­да.

На­ря­ду с при­ме­ся­ми, ис­точ­ни­ка­ми но­си­те­лей за­ря­да мо­гут быть и разл. де­фек­ты струк­ту­ры, напр. ва­кан­сии (от­сут­ствие од­но­го из ато­мов ре­шёт­ки), ме­ж­узель­ные ато­мы, а так­же не­дос­та­ток или из­бы­ток ато­мов од­но­го из ком­по­нен­тов в по­лу­про­вод­ни­ко­вых со­еди­не­ни­ях (от­кло­не­ния от сте­хио­мет­рич. со­ста­ва).

Электрические свойства полупроводников

Во внеш­нем элек­трич. по­ле на но­си­те­ли за­ря­да в твёр­дом те­ле дей­ст­ву­ет си­ла, ко­то­рая из­ме­ня­ет их ско­рость и при­во­дит к на­прав­лен­но­му дви­же­нию. Под дей­ст­ви­ем си­лы но­си­те­ли за­ря­да долж­ны ус­ко­рять­ся, од­на­ко в кри­стал­лах вслед­ст­вие взаи­мо­дей­ст­вия элек­тронов с де­фек­та­ми, ко­ле­ба­ния­ми ре­шёт­ки и т. д. воз­ни­ка­ет си­ла тре­ния, ко­то­рая урав­но­ве­ши­ва­ет си­лу, дей­ст­вую­щую со сто­ро­ны по­ля. В ре­зуль­та­те но­си­те­ли за­ря­да дви­жут­ся с по­сто­ян­ной сред­ней (дрей­фо­вой) ско­ро­стью $v_{др}$, за­ви­ся­щей от на­пря­жён­но­сти $E$ элек­трич. по­ля. Мож­но вве­сти по­ня­тие под­виж­но­сти но­си­те­лей за­ря­да $μ=v_{др}/E$. Дей­ст­вие си­лы тре­ния оз­на­ча­ет, что в элек­трич. по­ле но­си­тель за­ря­да ис­пы­ты­ва­ет сво­бод­ное ус­ко­ре­ние толь­ко в про­ме­жут­ке вре­ме­ни $Δt$ ме­ж­ду дву­мя ак­та­ми рас­сея­ния, так что $v_{др}=eEτ/m$ ($m$ – эф­фек­тив­ная мас­са но­си­те­ля, $e$ – его за­ряд, $τ$ – вре­мя ре­лак­са­ции, за ко­то­рое сво­бод­ный но­си­тель за­ря­да в от­сут­ст­вие по­ля те­ря­ет свой на­прав­лен­ный ква­зи­им­пульс). Обыч­но $τ$ не за­ви­сит от ве­ли­чи­ны внеш­не­го по­ля и оп­ре­де­ля­ет­ся теп­ло­вым хао­тич. дви­же­ни­ем но­си­те­лей за­ря­да в твёр­дом те­ле, так что ско­рость те­п­ло­во­го дви­же­ния на неск. по­ряд­ков пре­вос­хо­дит $v_{др}$. Так, напр., для ти­пич­ных П. при $T=300$ К в весь­ма силь­ном элек­трич. по­ле ($E$=3·10⁴ В/м) ско­рость $v_{др}$ со­став­ля­ет 10–100 м/с, а ве­ли­чи­на ср. те­п­ло­вой ско­ро­сти – 10⁵–10⁶ м/с.

Ве­ли­чи­ны $τ$ и $μ$ за­ви­сят от ти­па про­во­ди­мо­сти, хи­мич. со­ста­ва П., темп-ры, кон­цен­тра­ции де­фек­тов и при­ме­сей. При темп-рах ни­же темп-ры ки­пе­ния жид­ко­го азо­та (77 К) под­виж­ность $μ$ воз­рас­та­ет с рос­том темп-ры, а при темп-рах вы­ше 77 К – умень­ша­ет­ся, про­хо­дя че­рез мак­си­мум вбли­зи 100 К. Та­кая за­ви­си­мость $μ(T)$ объ­яс­ня­ет­ся на­ли­чи­ем двух осн. при­чин рас­сея­ния но­си­те­лей за­ря­да – на за­ря­жен­ных при­ме­сях и фо­но­нах. При низ­ких темп-рах, ко­гда при­мес­ные ато­мы ио­ни­зо­ва­ны, рас­сея­ние на них пре­вос­хо­дит рас­сея­ние на фо­но­нах, по­сколь­ку рав­но­вес­ных фо­но­нов ма­ло. С уве­ли­че­ни­ем темп-ры ср. энер­гия но­си­те­лей воз­рас­та­ет, эф­фек­тив­ность рас­сея­ния умень­ша­ет­ся, вре­мя ме­ж­ду столк­но­ве­ния­ми и под­виж­ность воз­рас­та­ют. При темп-рах ок. 100 К рез­ко воз­рас­та­ет кон­цен­тра­ция рав­но­вес­ных фо­но­нов и взаи­мо­дей­ст­вие с ни­ми ог­ра­ни­чи­ва­ет под­виж­ность, вслед­ст­вие это­го с уве­ли­че­ни­ем темп-ры под­виж­ность умень­ша­ет­ся. При $T$=300 К ха­рак­тер­ные зна­че­ния $τ$ для П. ле­жат в ин­тер­ва­ле 10^–13–10^–12 с, а $μ$  – в ин­тер­ва­ле 10²–10^–2 м/с. При мень­ших зна­че­ни­ях под­виж­но­сти дли­на сво­бод­но­го про­бе­га (про­из­ве­де­ние ср. ско­ро­сти теп­ло­во­го дви­же­ния на вре­мя $τ$) ста­но­вит­ся мень­ше рас­стоя­ния ме­ж­ду ато­ма­ми и го­во­рить о сво­бод­ном дви­же­нии но­си­те­лей за­ря­да нель­зя. Воз­ни­ка­ет прыж­ко­вая про­во­ди­мость, ко­то­рая обу­слов­ле­на пе­ре­ско­ка­ми но­си­те­лей за­ря­да в про­стран­ст­ве от од­но­го ио­на к дру­го­му (реа­ли­зу­ет­ся в ор­га­ни­че­ских по­лу­про­вод­ни­ках).

На­прав­лен­но­му дви­же­нию но­си­те­лей за­ря­да во внеш­нем элек­трич. по­ле пре­пят­ст­ву­ет их те­п­ло­вое хао­тич. дви­же­ние. Ес­ли в ре­зуль­та­те при­ло­же­ния элек­т­рич. по­ля но­си­те­ли со­би­ра­ют­ся у гра­ни­цы об­раз­ца и их кон­цен­тра­ция за­ви­сит от ко­ор­ди­нат, то хао­тич. дви­же­ние при­во­дит к вы­рав­ни­ва­нию кон­цен­тра­ции и но­си­те­ли пе­ре­хо­дят из об­лас­ти про­ст­ран­ст­ва с боль­шей кон­цен­тра­ци­ей в об­ласть, где их кон­цен­тра­ция мень­ше. Та­кой про­цесс на­зы­ва­ет­ся диф­фу­зи­ей но­си­те­лей за­ря­да и оп­ре­де­ля­ет­ся ко­эф. диф­фу­зии $D$. В ус­ло­ви­ях рав­но­ве­сия пол­ный по­ток но­си­те­лей за­ря­да от­сут­ст­ву­ет, так что диф­фу­зи­он­ный по­ток пол­но­стью ком­пен­си­ру­ет по­ток час­тиц во внеш­нем по­ле. Это оз­на­ча­ет, что ко­эф. диф­фу­зии свя­зан с под­виж­но­стью. Для не­вы­ро­ж­ден­ных но­си­те­лей $D=kTμ/e$ (со­от­но­ше­ние Эйн­штей­на). Для ти­пич­ных П. при ком­нат­ной темп-ре ве­ли­чи­на $D$ со­став­ля­ет 10^–3–10^–2 м²/с. Для не­рав­но­вес­ных но­си­те­лей за­ря­да, напр. в слу­чае ин­жек­ции в элек­трон­но-ды­роч­ном пе­ре­хо­де (см. p–n-Пе­ре­ход), вво­дит­ся по­ня­тие диф­фу­зи­он­ной дли­ны $L_D$, ко­то­рая оп­ре­де­ля­ет умень­ше­ние чис­ла но­си­те­лей в про­цес­се диф­фу­зии за счёт их реком­би­на­ции: $L_D=\sqrt{D\tau_0}$, где $τ_0$ – вре­мя жиз­ни не­ос­нов­ных но­си­те­лей.

На­ло­же­ние внеш­не­го маг­нит­но­го по­ля из­ме­ня­ет ус­ло­вия про­те­ка­ния элек­трич. то­ка в П. и при­во­дит к галь­ва­но­маг­нит­ным яв­ле­ни­ям, ко­то­рые наи­бо­лее силь­но про­яв­ля­ют­ся в маг­нит­ных по­лу­про­вод­ни­ках и по­лу­маг­нит­ных по­лу­про­вод­ни­ках. В П. для ис­сле­до­ва­ний и прак­тич. при­ме­не­ний наи­бо­лее час­то маг­нит­ное по­ле при­кла­ды­ва­ют пер­пен­ди­ку­ляр­но элек­трич. по­лю, в этом слу­чае име­ют ме­сто Хол­ла эф­фект и Шуб­ни­ко­ва – де Хаа­за эф­фект, клас­сич. маг­ни­то­со­про­тив­ле­ние, сла­бая ло­ка­ли­за­ция но­си­те­лей за­ря­да, а в дву­мер­ных струк­ту­рах – кван­то­вый эф­фект Хол­ла и дроб­ный кван­то­вый эф­фект Хол­ла. В маг­нит­ном по­ле на за­ря­жен­ные час­ти­цы дей­ст­ву­ет си­ла Ло­рен­ца, они на­чи­на­ют вра­щать­ся в плос­ко­сти, пер­пен­ди­ку­ляр­ной на­прав­ле­нию маг­нит­но­го по­ля, с цик­ло­трон­ной час­то­той $ω_с$ и со­хра­ня­ют свою ско­рость вдоль маг­нит­но­го по­ля. В за­ви­си­мо­сти от ве­ли­чи­ны про­из­ве­де­ния $ω_сτ$ раз­ли­ча­ют клас­си­че­ские сла­бые ($ω_сτ≪1$), клас­си­че­ские ($ω_сτ>1$) и кван­тую­щие ($ωсτ≫1$ и $\hbar ω_с≫kT$) маг­нит­ные по­ля, где $\hbar$ – по­сто­ян­ная План­ка.

В маг­нит­ных по­лях, ко­гда $ω_сτ∼1$, дви­же­ние но­си­те­лей за­ря­да мож­но опи­сы­вать клас­сич. урав­не­ния­ми Нью­то­на, в этом слу­чае име­ет ме­сто эф­фект Хол­ла, со­стоя­щий в воз­ник­но­ве­нии до­пол­нит. элек­трич. по­ля, пер­пен­ди­ку­ляр­но­го внеш­ним элек­трич. и маг­нит­но­му по­лям. Это до­пол­нит. по­ле ком­пен­си­ру­ет по­ток час­тиц, вы­зван­ный со­вме­ст­ным дей­ст­ви­ем при­ло­жен­ных элек­трич. и маг­нит­но­го по­лей, и за­ви­сит от ве­ли­чи­ны маг­нит­но­го по­ля и кон­цен­тра­ции сво­бод­ных но­си­те­лей за­ря­да, а его на­прав­ле­ние оп­ре­де­ля­ет­ся зна­ком за­ря­да, по­это­му эф­фект Хол­ла ис­поль­зу­ет­ся для оп­ре­де­ле­ния зна­ка и кон­цен­тра­ции но­си­те­лей за­ря­да.

В бо­лее силь­ных по­лях, ко­гда $ω_сτ≫1$, но ха­рак­тер­ная энер­гия но­си­те­лей за­ря­да зна­чи­тель­но пре­вос­хо­дит $\hbar ω_с$, не­об­хо­ди­мо учи­ты­вать кван­то­ва­ние но­си­те­лей за­ря­да во внеш­нем маг­нит­ном по­ле, в ре­зуль­та­те плот­ность со­стоя­ний как функ­ция об­рат­но­го по­ля при­об­ре­та­ет вид ост­рых, пе­рио­ди­че­ски рас­по­ло­жен­ных пи­ков.2$. Зна­че­ние про­доль­но­го со­про­тив­ле­ния об­ра­ща­ет­ся в нуль в маг­нит­ных по­лях, от­ве­чаю­щих сту­пень­кам на за­ви­си­мо­сти по­пе­реч­но­го со­про­тив­ле­ния от маг­нит­но­го по­ля и пи­кам ме­ж­ду сту­пень­ка­ми. Та­кое по­ве­де­ние объ­яс­ня­ет­ся осо­бен­но­стя­ми дви­же­ния но­си­те­лей за­ря­да в силь­ном маг­нит­ном по­ле в ус­ло­ви­ях дей­ст­вия слу­чай­ных элек­трич. и де­фор­ма­ци­он­ных по­лей, имею­щих разл. про­стран­ст­вен­ный мас­штаб. При ещё боль­шем маг­нит­ном по­ле име­ет ме­сто дроб­ный кван­то­вый эф­фект Хол­ла, про­яв­ляю­щий­ся в до­пол­нит. рас­ще­п­ле­нии сту­пе­нек. Од­на­ко кван­то­вый ха­рак­тер но­си­те­лей за­ря­да мо­жет про­яв­лять­ся и в сла­бых маг­нит­ных по­лях. Ока­за­лось, что при низ­ких темп-рах в П. и ме­тал­лах на­блю­да­ет­ся не­боль­шое (ок. 1–5% от об­ще­го) из­ме­не­ние про­во­ди­мо­сти, про­пор­цио­наль­ное квад­ра­ту маг­нит­но­го по­ля. Этот эф­фект объ­яс­ня­ет­ся яв­ле­ни­ем сла­бой ло­ка­ли­за­ции, со­стоя­щим в уве­ли­че­нии со­про­тив­ле­ния про­во­дя­щих ма­те­риа­лов за счёт уси­ле­ния рас­сея­ния на­зад при диф­фу­зи­он­ном дви­же­нии час­тиц.

Оптические свойства полупроводников

Зон­ная струк­ту­ра кри­стал­лов про­яв­ля­ет­ся в свой­ст­вах про­пус­ка­ния, от­ра­же­ния и по­гло­ще­ния по­лу­про­вод­ни­ка­ми элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния. Наи­бо­лее оче­вид­но су­ще­ст­во­ва­ние за­пре­щён­ной зо­ны сле­ду­ет из то­го, что из­лу­че­ние с энер­ги­ей кван­та, мень­шей ши­ри­ны за­пре­щён­ной зо­ны $ℰ_g$ чис­то­го П., не по­гло­ща­ет­ся. По­гло­ще­ние на­чи­на­ет­ся толь­ко то­гда, ко­гда энер­гия кван­та пре­вы­сит $ℰ_g$. Для П. ти­па GaAs при низ­ких темп-рах дли­на вол­ны, на ко­то­рой ин­тен­сив­ность па­даю­ще­го из­лу­че­ния умень­ша­ет­ся в $e$ раз, при­бли­зи­тель­но рав­на 0,1 мкм. При та­ком по­гло­ще­нии кван­та све­та в П. воз­ни­ка­ют элек­трон и дыр­ка и име­ет ме­сто за­кон со­хра­не­ния ква­зи­им­пуль­са. Обыч­но им­пульс све­та зна­чи­тель­но мень­ше квази­им­пуль­сов но­си­те­лей за­ря­да, и при оп­тич. пе­ре­хо­де элек­тро­на из ва­лент­ной зо­ны в зо­ну про­во­ди­мо­сти ква­зи­им­пульс не из­ме­ня­ет­ся, так что в мо­мент ро­ж­де­ния элек­трон и дыр­ка име­ют про­ти­во­по­лож­ные ква­зи­им­пуль­сы. Та­кие пе­ре­хо­ды на­зы­ва­ют­ся пря­мы­ми; они про­ис­хо­дят в т. н. пря­мо­зон­ных П. (GaAs, InSb, Te, SiC), в ко­то­рых по­то­лок ва­лент­ной зо­ны и дно зо­ны про­во­ди­мо­сти рас­по­ло­же­ны в од­ной точ­ке зо­ны Брил­лю­эна.

Элек­трон­ные пе­ре­хо­ды со зна­чит. из­ме­не­ни­ем ква­зи­им­пуль­са про­ис­хо­дят в т. н. не­пря­мо­зон­ных П. (Ge, Si, AlAs, GaP), у ко­то­рых вер­ши­на ва­лент­ной зо­ны и дно зо­ны про­во­ди­мо­сти раз­не­се­ны в про­стран­ст­ве ква­зи­им­пуль­сов на ве­ли­чи­ну по­ряд­ка $π/d$, где $d$ – меж­атом­ное рас­стоя­ние в кри­стал­лич. ре­шёт­ке. В этом слу­чае для вы­пол­не­ния за­ко­на со­хра­не­ния ква­зи­им­пуль­са не­об­хо­ди­мо уча­стие треть­ей час­ти­цы, в ка­че­ст­ве ко­то­рой мо­жет вы­сту­пать ли­бо при­мес­ный атом, ли­бо фо­нон. Ти­пич­ная дли­на по­гло­ще­ния для не­пря­мых пе­ре­хо­дов со­став­ля­ет 1–10 мкм.

В спек­тре по­гло­ще­ния П. при­сут­ст­ву­ют ши­ро­кие энер­ге­тич. по­ло­сы, что ука­зы­ва­ет на то, что элек­тро­ны в ва­лент­ных зо­нах свя­за­ны сла­бо и лег­ко по­ля­ри­зу­ют­ся под дей­ст­ви­ем элек­трич. по­ля. Это оз­на­ча­ет, что П. ха­рак­те­ри­зу­ют­ся от­но­си­тель­но боль­шой ди­элек­трич. про­ни­цае­мо­стью $ε$, напр. в Ge $ε=16$, в GaAs $ε=11$, в PbTe $ε=30$. Бла­го­да­ря боль­шим зна­че­ни­ям $ε$ ку­ло­нов­ское взаи­мо­дей­ст­вие элек­тро­нов и ды­рок друг с дру­гом или с за­ря­жен­ны­ми при­ме­ся­ми силь­но по­дав­ле­но, ес­ли они на­хо­дят­ся друг от дру­га на рас­стоя­нии, пре­вы­шаю­щем раз­ме­ры эле­мен­тар­ной ячей­ки. Это и по­зво­ля­ет во мно­гих слу­ча­ях рас­смат­ри­вать дви­же­ние ка­ж­до­го но­си­те­ля за­ря­да не­за­ви­си­мо от дру­гих. Ес­ли бы ку­ло­нов­ское взаи­мо­дей­ст­вие не ос­лаб­ля­лось, то при­мес­ные ио­ны мог­ли бы свя­зы­вать но­си­те­ли за­ря­да в ус­той­чи­вые, ло­ка­ли­зован­ные в про­стран­ст­ве об­ра­зо­ва­ния с энер­ги­ей ок. 10 эВ. В этом слу­чае при темп-рах ок. 300 К те­п­ло­вое дви­же­ние прак­ти­че­ски не мог­ло бы ра­зо­рвать эти свя­зи, соз­дать сво­бод­ные но­си­те­ли за­ря­да и при­вес­ти к за­мет­ной элек­тро­про­вод­но­сти. Та­кое свя­зы­ва­ние име­ет ме­сто в П. и ди­элек­три­ках, но из-за ос­лаб­ле­ния ку­ло­нов­ско­го взаи­мо­дей­ст­вия и от­но­си­тель­но ма­лых эф­фек­тив­ных масс элек­тро­нов и ды­рок (ок. 0,1–0,5 от мас­сы сво­бод­но­го элек­тро­на) энер­гия свя­зи та­ких об­ра­зо­ва­ний (эк­си­то­нов) со­став­ля­ет 1–50 мэВ, что мно­го мень­ше энер­гии ио­ни­за­ции ато­мов. Эк­си­то­ны лег­ко иони­зу­ют­ся при темп-рах вы­ше темп-ры жид­ко­го азо­та и, т. о., не пре­пят­ст­ву­ют об­ра­зо­ва­нию сво­бод­ных но­си­те­лей. Тем не ме­нее при низ­ких темп-рах об­ра­зо­ва­ние эк­си­то­нов при­во­дит к по­гло­ще­нию в чис­тых П. элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния с энер­ги­ей кван­та, мень­шей $ℰ_g$ на ве­ли­чи­ну энер­гии свя­зи эк­си­то­на.

Про­зрач­ность П. в уз­кой об­лас­ти час­тот вбли­зи края собств. по­гло­ще­ния из­ме­ня­ет­ся под дей­ст­ви­ем внеш­них (элек­трич., маг­нит­но­го и др.) по­лей. Элек­трич. по­ле, ус­ко­ряя элек­трон, мо­жет в про­цес­се оп­тич. пе­ре­хо­да пе­ре­дать ему не­боль­шую до­пол­нит. энер­гию, в ре­зуль­та­те че­го пря­мые оп­тич. пе­ре­хо­ды из ва­лент­ной зо­ны в зо­ну про­во­ди­мо­сти про­ис­хо­дят под дей­ст­ви­ем кван­тов све­та с энер­ги­ей, мень­шей $ℰ_g$ (Кел­ды­ша – Фран­ца эф­фект).

В од­но­род­ном маг­нит­ном по­ле за­кон со­хра­не­ния ква­зи­им­пуль­са при­во­дит к со­хра­не­нию кру­го­во­го дви­же­ния элек­тро­нов и ды­рок по­сле по­гло­ще­ния из­лу­чения. В ре­зуль­та­те за­ви­си­мость ко­эф. по­гло­ще­ния от час­то­ты па­даю­ще­го из­лу­че­ния при­ни­ма­ет вид уз­ких пи­ков. Кро­ме собств. по­гло­ще­ния (за счёт пря­мых или не­пря­мых пе­ре­хо­дов), в П. име­ет ме­сто по­гло­ще­ние све­та сво­бод­ны­ми но­си­те­ля­ми, свя­зан­ное с их пе­ре­хо­да­ми в пре­де­лах од­ной раз­ре­шён­ной зо­ны. Их вклад в об­щее по­гло­ще­ние мал, по­сколь­ку чис­ло сво­бод­ных но­си­те­лей за­ря­да в П. ма­лó по срав­не­нию с пол­ным чис­лом ва­лент­ных элек­тро­нов, и для их реа­ли­за­ции тре­бу­ет­ся уча­стие треть­ей час­ти­цы – при­ме­си или фо­но­на. Кро­ме то­го, в не­ле­ги­ро­ван­ных П. со зна­чит. до­лей ион­ной свя­зи на­блю­да­ет­ся по­гло­ще­ние да­лё­ко­го ИК-из­лу­че­ния за счёт воз­бу­ж­де­ния ко­ле­ба­ний ре­шёт­ки – фо­но­нов.

Спектр фо­то­лю­ми­нес­цен­ции П. со­сре­до­то­чен в уз­кой об­лас­ти вбли­зи ши­ри­ны за­пре­щён­ной зо­ны. Вклад в фо­то­лю­ми­нес­цен­цию П. мо­гут вно­сить разл. ме­ха­низ­мы из­лу­ча­тель­ной ре­ком­би­на­ции: зо­на – зо­на, зо­на – при­месь, до­нор – ак­цеп­тор, с уча­сти­ем фо­но­на, из­лу­че­ние сво­бод­ных, свя­зан­ных или ло­ка­ли­зо­ван­ных эк­си­то­нов, эк­си­тон-по­ля­ри­тон­ная, би­эк­си­тон­ная ре­ком­би­на­ции. В не­ле­ги­ро­ван­ных струк­ту­рах с кван­то­вы­ми яма­ми низ­ко­тем­пе­ра­тур­ная фо­то­лю­ми­нес­цен­ция об­у­слов­ле­на из­лу­ча­тель­ной ре­ком­би­на­ци­ей эк­си­то­нов, ло­ка­ли­зо­ван­ных на ше­ро­хо­ва­то­стях по­верх­но­сти и флук­туа­ци­ях со­ста­ва.

Оп­тич. свой­ст­ва твёр­дых рас­тво­ров П. мож­но ме­нять в ши­ро­ких пре­де­лах, под­би­рая хи­мич. со­став рас­тво­ра, что об­услов­ли­ва­ет их ши­ро­кое при­ме­не­ние в при­бо­рах оп­то­элек­тро­ни­ки, в пер­вую оче­редь в ка­че­ст­ве ра­бо­чих ма­те­риа­лов ла­зе­ров, све­то- и фо­то­дио­дов, сол­неч­ных эле­мен­тов, де­тек­то­ров из­лу­че­ния.

Полупроводниковые гетеро- и наноструктуры

Совр. фи­зи­ка П. – это, пре­ж­де все­го, фи­зи­ка по­лу­про­вод­ни­ко­вых ге­те­ро­ст­рук­тур и на­но­ст­рук­тур. В по­след­них воз­ни­ка­ет ряд но­вых фи­зич. яв­ле­ний, ко­то­рые не­воз­мож­ны в объ­ём­ных П., напр. кван­то­вые це­ло­чис­лен­ный и дроб­ный эф­фек­ты Хол­ла. В на­но­ст­рук­ту­рах дви­же­ние сво­бод­ных но­си­те­лей за­ря­да ог­ра­ни­че­но в од­ном или не­сколь­ких на­прав­ле­ни­ях, что при­во­дит к раз­мер­ным эф­фек­там, кар­ди­наль­но из­ме­няю­щим энер­ге­тич. спек­тры но­си­те­лей за­ря­да, а так­же фо­но­нов и др. ква­зи­ча­стиц. Важ­ную роль в на­но­ст­рук­ту­рах иг­ра­ют ге­те­ро­гра­ни­цы, по­сколь­ку в сис­те­мах ма­ло­го раз­ме­ра от­но­ше­ние пло­ща­ди по­верх­но­сти к внутр. объ­ё­му струк­ту­ры яв­ля­ет­ся боль­шим. Наи­бо­лее со­вер­шен­ные по­лу­про­вод­ни­ко­вые на­но­ст­рук­ту­ры по­лу­ча­ют ме­то­да­ми мо­ле­ку­ляр­но-пуч­ко­вой эпи­так­сии и га­зо­фаз­ной эпи­так­сии из ме­тал­ло­ор­га­нич. со­еди­не­ний.

В нач. 21 в. сло­жи­лась ус­той­чи­вая тер­ми­но­ло­гия низ­ко­раз­мер­ной фи­зи­ки П. Сис­те­ма­ти­ка на­чи­на­ет­ся с оди­ноч­но­го ге­те­ро­пе­ре­хо­да ме­ж­ду дву­мя ком­по­зи­ци­он­ны­ми ма­те­риа­ла­ми – по­лу­про­вод­ни­ка­ми A и B. Один или оба ма­те­риа­ла мо­гут быть твёр­ды­ми рас­тво­ра­ми (при­ме­ры ге­те­ро­пар A/B: GaAs/Al_1–xGa_xAs, ZnSe/BeTe). По оп­ре­де­ле­нию, в ге­те­ро­пере­хо­дах пер­во­го ти­па за­пре­щён­ная зо­на $ℰ_g$ од­но­го из ком­по­зиц. ма­те­риа­лов ле­жит внут­ри за­пре­щён­ной зо­ны др. ма­те­риа­ла. В этом слу­чае по­тен­ци­аль­ные ямы для элек­тро­нов или ды­рок рас­по­ло­же­ны в од­ном и том же слое. В ге­те­ро­пе­ре­хо­дах вто­ро­го ти­па дно зо­ны про­во­ди­мо­сти ни­же в од­ном, а по­то­лок ва­лент­ной зо­ны вы­ше в дру­гом П. Для ука­зан­ных ге­те­ро­пар за­пре­щён­ные зо­ны пе­ре­кры­ва­ют­ся. Име­ют­ся так­же гете­ро­пе­ре­хо­ды вто­ро­го ти­па (напр., InAs/GaSb), у ко­то­рых за­пре­щён­ные зо­ны не пе­ре­кры­ва­ют­ся и дно зо­ны про­во­ди­мо­сти од­ного П.B_g$.

К по­лу­про­вод­ни­ко­вым на­но­ст­рук­ту­рам от­но­сят кван­то­вые ямы, кван­то­вые про­во­ло­ки, кван­то­вые точ­ки. В кван­то­вой яме дви­же­ние сво­бод­но­го но­си­те­ля за­ря­да (элек­тро­на или дыр­ки) ог­ра­ни­че­но в од­ном из на­прав­ле­ний. В ре­зуль­та­те воз­ни­ка­ет про­стран­ст­вен­ное кван­то­ва­ние и энер­ге­тич. спектр по од­но­му из кван­то­вых чи­сел из не­пре­рыв­но­го ста­но­вит­ся дис­крет­ным – ка­ж­дая трёх­мер­ная энер­ге­тич. элек­трон­ная зо­на пре­вра­ща­ет­ся в се­рию дву­мер­ных под­зон раз­мер­но­го кван­то­ва­ния. Ес­теств. раз­ви­ти­ем од­но­барь­ер­ной струк­ту­ры яв­ля­ют­ся двух- и муль­ти­барь­ер­ные струк­ту­ры, на ос­но­ве ко­то­рых соз­да­ют­ся ре­зо­нанс­но-барь­ер­ные при­бо­ры. От оди­ноч­ной кван­то­вой ямы пе­ре­хо­дят к струк­ту­ре с дву­мя или тре­мя кван­то­вы­ми яма­ми и струк­ту­рам с це­лым на­бо­ром изо­ли­ро­ван­ных кван­то­вых ям. По ме­ре то­го как барь­е­ры ста­но­вят­ся тонь­ше, тун­не­ли­ро­ва­ние но­си­те­лей за­ря­да из од­ной ямы в дру­гую ста­но­вит­ся за­мет­нее, и элек­трон­ные со­стоя­ния в под­зо­нах раз­мер­но­го кван­то­ва­ния изо­ли­ро­ван­ных ям транс­фор­ми­ру­ют­ся в трёх­мер­ные ми­ни­зон­ные со­стоя­ния. В ре­зуль­та­те пе­рио­дич. струк­ту­ра изо­ли­ро­ван­ных кван­то­вых ям, или тол­сто­барь­ер­ная сверх­ре­шёт­ка, пре­вра­ща­ет­ся в тон­ко­барь­ер­ную сверх­ре­шёт­ку, или про­сто сверх­ре­шёт­ку. По­лу­про­вод­ни­ко­вая сверх­ре­шёт­ка ис­поль­зу­ет­ся для со­зда­ния кван­то­вых кас­кад­ных ла­зе­ров, из­лу­че­ние ко­то­рых воз­ни­ка­ет при пе­ре­хо­де элек­тро­нов ме­ж­ду слоя­ми струк­ту­ры.

Кро­ме струк­тур с кван­то­вы­ми яма­ми, су­ще­ст­ву­ют и др. дву­мер­ные сис­те­мы, напр. гра­фен и струк­ту­ра ме­талл – ди­элек­трик – по­лу­про­вод­ник (МДП-струк­ту­ра), ко­то­рая ис­поль­зу­ет­ся в мик­ро­элек­тро­ни­ке в ви­де по­ле­во­го МДП-тран­зи­сто­ра.

В од­но­мер­ных сис­те­мах – кван­то­вых про­во­ло­ках – дви­же­ние но­си­те­лей за­ря­да сво­бод­но толь­ко в од­ном на­прав­ле­нии (напр., в уг­ле­род­ной на­нот­руб­ке, по­лу­чае­мой свёр­ты­ва­ни­ем гра­фе­но­вой по­лос­ки и за­кре­п­ле­ни­ем её про­ти­во­по­лож­ных сто­рон). Др. при­мер та­кой струк­ту­ры – кван­то­вая яма, вы­ра­щен­ная на ско­ле, со­дер­жа­щем пер­пен­ди­ку­ляр­ную ему кван­то­вую яму. Кван­то­вая ме­ха­ни­ка до­пус­ка­ет фор­ми­ро­ва­ние од­но­мер­ных элек­трон­ных со­стоя­ний на сты­ке двух та­ких ям.

В кван­то­вых точ­ках дви­же­ние но­си­те­лей за­ря­да ог­ра­ни­че­но во всех трёх на­прав­ле­ни­ях, напр. в на­нок­ри­стал­лах CdSe, вы­ра­щен­ных в стек­лян­ной мат­ри­це, и в эпи­так­си­аль­ных кван­то­вых точ­ках GaAs/InAs, вы­ра­щен­ных по ме­ха­низ­му Странс­ки – Кра­ста­но­ва.

Ши­ро­кое при­ме­не­ние по­лу­чи­ли по­лу­про­вод­ни­ко­вые ла­зе­ры на кван­то­вых ямах и мас­си­вах кван­то­вых то­чек. В струк­ту­ре с двой­ным ог­ра­ни­че­ни­ем сти­му­ли­ро­ван­ное из­лу­че­ние вы­хо­дит из тор­ца, пер­пен­ди­ку­ляр­но на­прав­ле­нию рос­та. Кван­то­вый мик­ро­ре­зо­на­тор, т. е. кван­то­вые ямы или кван­то­вые точ­ки, вы­ра­щен­ные в ак­тив­ной об­лас­ти оп­тич. мик­ро­ре­зо­на­то­ра, ис­поль­зу­ет­ся для соз­да­ния вер­ти­каль­но из­лу­чаю­щих ла­зе­ров.

Воз­мож­ность в ши­ро­ких пре­де­лах управ­лять фи­зич. свой­ст­ва­ми П. при­во­дит к их мно­го­чис­лен­ным и раз­но­об­раз­ным при­ме­не­ни­ям (см. По­лу­про­вод­ни­ко­вые ма­те­риа­лы).

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).

Таким образом, можно сделать вывод, что полупроводники по удельному сопро­тивлению или электропроводимости зани­мают промежуточное место между метал­лами (наилучшими проводниками) и ди­электриками: ρ_М < ρ_П/П < ρ_Д (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.

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

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:

• Полупроводники сообщение 8 класс кратко

• Кратко о том что такое проводники

• Шпоры полупроводники

• Исследования полупроводников история кратко

• Кратко что такое полупроводники

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?

Физика полупроводников Текст научной статьи по специальности «Физика»

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ

ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВ Тиллабоева М.Р.

Тиллабоева Малохат Рахимбердиевна — преподаватель, кафедра естественных наук, Ферганский медицинский колледж, г. Фергана, Республика Узбекистан

Аннотация: если в полупроводник ввести примесь других веществ, то в дополнение к собственной появляется еще и примесная электропроводность, которая, в зависимости от рода примеси, может быть электронной или дырочной. Ключевые слова: полупроводник, вещества, диэлектрики, металл, германий, кремний, селен, теллур, оксиды, сульфиды.

Все твердые тела по электрофизическим свойствам разделяются на три основных класса: металлы, диэлектрики и полупроводники. Если в основу классификации положить величину удельной электропроводности s, то при комнатной температуре она имеет значения в следующих пределах:

металлы — (107— 106) Сим/м полупроводники — (10-8— 106) Сим/м диэлектрики — (10-8— 10-16) Сим/м.

Такая чисто количественная классификация совершенно не передает специфических особенностей электропроводности и других свойств, сильно зависящих для полупроводника от внешних условий (температуры, освещенности, давления, облучения) и внутреннего совершенства кристаллического строения (дефекты решетки, примеси и др.).

Полупроводники — широкий класс веществ, характеризующийся значениями удельной электропроводности, лежащей в диапазоне между удельной электропроводностью металлов и хороших диэлектриков, то есть эти вещества не могут быть отнесены как к диэлектрикам (так как не являются хорошими изоляторами), так и к металлам (не являются хорошими проводниками электрического тока).кратно вырождена и может содержать не более 2N f электронов.

Следовательно, если зона целиком заполнена, то переход электронов под действием энергии тепловых колебаний атомов или внешнего поля из одного состояния в другое невозможен, так как по принципу Паули все состояния заняты. В связи с тем, что над полностью занятой разрешенной зоной имеется запрещенная зона, для переброса электрона через которую в следующую разрешенную зону требуется конечная энергия, такой кристалл не будет проводить электрический ток. Такой кристалл будет диэлектриком.

Если ширина запрещенной зоны невелика по сравнению со средней энергией теплового движения, то возможны перебросы электронов из полностью заполненной зоны в следующую разрешенную свободную зону. При этом возникает

СОВРЕМЕННЫЕ ИННОВАЦИИ № 6(20) 2017 | 6 |

электропроводность как по не полностью заполненной зоне, так и по следующей частично заполненной зоне. Такой кристалл — полупроводник.

Полупроводники долгое время не привлекали особого внимания ученых и инженеров. Одним из первых начал систематические исследования физических свойств полупроводников выдающийся советский физик Абрам Федорович Иоффе.

В полупроводниках проводимость зависит от внешних условий, поскольку, меняя интенсивность освещения, облучение или температуру, можно менять концентрацию носителей заряда в широких пределах, в то время как в металлах число электронов остается неизменным при изменении внешних условий и температуры. Однако это не единственное различие между металлами и полупроводниками. В последних существует два механизма проводимости.

Незавершенная связь вследствие движения электронов может перемещаться от атома к атому, т.е. может совершать хаотические движения по кристаллу. При наложении внешнего электрического поля E на связанные электроны будет действовать сила enE, поэтому они, перемещаясь против поля, будут занимать вакантную связь. Наличие вакансий в связях позволяет валентным электронам перемещаться против поля. Тем самым совокупность валентных электронов также участвует в образовании проводимости полупроводников.

В отличие от проводников носителями тока в полупроводниковых веществах могут быть не только электроны, но и «дырки». При потере электрона одним из атомов полупроводника на его орбите остается пустое место — «дырка» при воздействии электрическим поле на кристалл «дырка» как положительный заряд перемещается в сторону вектора E, что фактически происходит благодаря разрыву одних связей и восстановление других. «Дырку» условно можно считать частицей, несущей положительный заряд.

Добавка в германий примесей, богатых электронами, например, мышьяка или сурьмы, позволяет получить полупроводник с электронной проводимостью или полупроводник п — типа (от латинского слова «негативус» — «отрицательный»). Примеси создающие такую электропроводимость называют донорными.

Добавка в тот же германий алюминия, галлия или индия создает в кристалле избыток дырок. Тогда полупроводник будет обладать дырочной проводимостью — полупроводник р — типа. Дырочная примесная электропроводимость создаётся атомами, имеющими меньшее количество валентных электронов, чем основные атомы.

Под действием ЭДС источника в проводах, соединяющих полупроводник п-тиш с источником, и в самом полупроводнике движутся электроны проводимости. В соединительных проводах полупроводника p-типа по-прежнему движутся электроны, а в самом полупроводнике ток следует рассматривать как движение дырок. Электроны с отрицательного полюса поступают в полупроводник и заполняют пришедшие сюда дырки. К положительному полюсу приходят электроны из соседних частей полупроводника, и в этих частях образуются дырки, которые перемещаются от правого края к левому. В электротехнике принято условное направление тока от плюса к минусу. При изучении электронных приборов удобнее рассматривать прохождение тока от минуса к плюсу, что, собственно, и является истинным направлением тока.

Список литературы 1. Киреев П.С. Физика полупроводников. М.: Высшая школа, 1975.

| 7 | СОВРЕМЕННЫЕ ИННОВАЦИИ № 6(20) 2017

Физика полупроводников — учебный курс

Физика полупроводников — учебный курс | ИСТИНА – Интеллектуальная Система Тематического Исследования НАукометрических данных

Физика полупроводниковучебный курс

• Автор:

  Кулаковский В.Д.

• Год создания:
  1995
• Организация:
  МГУ имени М.В. Ломоносова
• Описание:
  Аннотация
  Курс посвящен изложению основ физики полупроводников. Наряду с традиционными разделами физики полупроводников в курсе затрагиваются современные проблемы, такие как композитные квазичастицы в низкоразмерных полупроводниковых наноструктурах.
  ПРОГРАММА КУРСА
  1. Кинетические явления в полупроводниках: электропроводность, эффект Холла, влияние магнитного поля и градиента температуры. Время свободного пробега электронов.
  2. Элементарная теория .гальваномагнитных явлений (тензор электропроводности в магнитном поле, угол Холла и постоянная Холла, магнетосопротивление), смешанная проводимость, экспериментальные измерения проводимости и эффекта Холла
  
  3. Химические связи в полупроводниках Кристаллические решетки, электронная конфигурация атомов Типы химической связи: ионная связь, гомеополярная связь, ван-дер-ваальсовская связь, кристаллы со смешанной связью, некристаллические полупроводники.
  
  4. Полупроводниковые свойства и химическая связь. Запрещенная зона, примесные уровни, вакансии в кристалле.
  
  5.Элементы зонной теории полупроводников (идеальная решетка). Основные предположения зонной теории. Волновая функция электрона в периодическом поле, зоны Бриллюэна, энергетические зоны.
  6. Метод сильно связанных электронов.
  
  7. Закон дисперсии электронов и дырок. Эффективная масса. Примеры зонной структуры полупроводников.
  
  8. Элементы зонной теории полупроводников (полупроводники во внешних полях, неидеальные кристаллы). Средние значения скорости и ускорения электрона, электроны и дырки в магнитном поле (классическая теория), диамагнитный резонанс.
  
  9. Метод эффективной массы. Энергетический спектр электронов и дырок в магнитном поле (квантовая теория), энергетический спектр электронов и дырок в постоянном электрическом поле (квантовая теория), мелкие примесные уровни.
  
  10. Статистика электронов и дырок в полупроводниках. Распределение квантовых состояний в зонах, распределение Ферми-Дирака, эффективная плотность состояний в зонах, концентрация носителей в вырожденных и невырожденных полупроводниках, концентрация электронов и дырок на локальных уровнях.
  
  11. Распределение Гиббса. Определение положения уровня Ферми в собственном и легированных полупроводниках.
  
  12. Явления в контактах. Потенциальные барьеры, плотность тока, соотношение Эйнштейна, условия равновесия тел, термоэлектронная работа выхода, контактная разность потенциалов.
  13. Распределение концентрации электронов и потенциала в слое объемного заряда, длина экранирования, обогащенный и истощенный слой. Выпрямление в контакте металл – полупроводник, р-n переход.
  
  14. Неравновесные электроны и дырки в полупроводниках. Время жизни неравновесных электронов и дырок, уравнение непрерывности, фотопроводимость, квазиуровни Ферми.
  
  15. Проблемы обоснования зонной теории. Адиабатическое приближение, приближение малых колебаний, метод самосогласованного поля.
  16. Поляроны, экситоны, экситонные молекулы, ионизация экситонов, электрон-дырочкая плазма, электрон-дырочная жидкость.
  17. Оптические переходы в прямых и непрямых полупроводниках. Межзонное и экситонное поглощение и излучение.
  
  18. Экситонные поляритоны в объемных полупроводниках и в полупроводниковых микрорезонаторах.
  19. Бозе-Эйнштейновская конденсация поляритонов
  Литература
  1. В.Л.Бонч-Бруевич, С.Г.Калашников Физика полупроводников М.,Наука, 1977
  
  2. А.И.Ансельм Введение в теорию полупроводников М., ФМЛ. 1962
  
  ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
  
  1. А.Г.Забродский, С.А.Немов, Ю.И.Равич Электронные свойства неупорядоченных систем С.-П., Наука, 2000
  
  2. Л.Е.Воробьев, С.Н.Данилов, Е.Л.Ивченко, Кинетические и оптические явления в сильных электрических полях в полупроводниках и наноструктурах С.-П., Наука, 2000
  
  

• Добавил в систему:
  kulakovskii

Преподавание курса

Кафедра физики полупроводников | Физический факультет

Сайт кафедры

• Что такое полупроводник?

Полупроводники — это широкий класс веществ, характеризующихся значениями электропроводности, промежуточными между электропроводностью металлов  и  диэлектриков.  Важным отличием от  других материалов является то, что удельная проводимость полупроводника растёт с увеличением температуры, а также сильно зависит от концентрации примесей и воздействия различных видов излучения.

• Почему физику полупроводников выделяют как отдельное направление?

Современная электроника основана на использовании полупроводниковых материалов. В природе полупроводники в пригодном для использования виде не встречаются, и их нужно создавать в лабораториях. Важно уметь стабильно получать полупроводник с заранее заданными свойствами под конкретные цели и задачи. Именно поэтому такие технологические гиганты, как  Intel, Samsung, Huawei, AMD и многие другие вкладывают огромные ресурсы в изучение и создание полупроводников. 

• Где применяются полупроводники?

Каждый из нас использует каждый день приборы содержащие полупроводники: смартфоны, компьютеры, бытовую технику, светодиодные лампы, жидкокристаллические дисплеи.  Полупроводник является основой для каждого процессора, а следовательно и для всей электроники.

• Чем занимается кафедра физики полупроводников?

В настоящий момент будущее электроники связывают с использованием полупроводниковых наноструктур, двумерных кристаллов, органическими и гибридными органо-неорганическими структурами. Этим определяется выбор основных направлений исследований кафедры:

• Квантовая теория полупроводниковых материалов
• Исследование свойств и способов получения двумерных структур, в том числе графена
• Взаимодействие органических молекул с поверхностями неорганических материалов
• Формирование гибридных (органо-неорганических) структур
• Органические полупроводники
• Создание новых полупроводниковых материалов для светодиодной техники
• Теория и компьютерное моделирование процессов формирования полупроводниковых наноструктур
• Экспериментальные исследования структуры и свойств полупроводниковых материалов
• Получение сложных полупроводниковых структур методами молекулярно-пучковой и МОС-гидридной эпитаксии

• Как проходят исследования?

На кафедре ведутся как теоретические, так и экспериментальные исследования.  Студенты, выбравшие теоретические исследования, проводят квантово-химические расчеты свойств полупроводниковых наноструктур, строят компьютерные модели процессов формирования полупроводниковых наноструктур. Те кто выбирают эксперимент, выращивают полупроводниковые кристаллы и   структуры, создают новые полупроводниковые приборы, изучают свойства полученных материалов и струрктур. С использованием современных экспериментальных методов, атомно-силовым микроскопом, рентген дифрактометром и др. Для этого наши лаборатории оснащены самым современным оборудованием: установка молекулярно-лучевой эпитаксии, дифрактометр, атомно силовой микроскоп и др.

• Какие у кафедры партнёры?

• Université de Luxembourg (Люксембург)
• ООО «Сигм-Плюс» (г. Москва)
• Академический университет РАН (г. С.-Петербург)
• Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН (г. С.-Петербург)
• Forschungszentrum Jülich GmbH  (Германия)
• Max-Planck-Institut für Physik (Германия)
• Институт физики полупроводников СО РАН (г. Новосибирск)
• Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов (г. Томск)
• Институт физической химии Болгарской академии наук (Болгария)
• Tohoky University (Япония)
• МИКРАН (г. Томск)
• Nan Kai University of Technology (Китай)

Выпускник может продолжить свои исследования в качестве сотрудника кафедры или работать у одного из наших партнёров. Также выпускники могут пойти работать в мировые компании занимающиеся исследованиями и  получением полупроводников: Intel, Samsung, Huawei, AMD и др.
 

Semiconductors — The Physics Hypertextbook

Обсуждение

неорганизованные банкноты

Просто спросите Бриттни Спирс, полупроводник — это материал, электрическая проводимость которого находится между проводником и изолятором. В полупроводниковых устройствах чаще всего используются элементы кремний и германий .

доноров, акцепторов / электронов, дырок

Полупроводники

1. Биполярный металл-оксид-полупроводник (BMOS)
   описание
2. Металлооксидный полупроводник с положительным каналом (PMOS)
   Описание
3. Металлооксидный полупроводник с отрицательным каналом (NMOS)
   описание
4. Комплементарный металлооксидный полупроводник (CMOS)
   Технология производства полупроводников, использующая комбинацию полупроводниковых материалов, легированных n- и p-типом, для достижения низкого рассеяния мощности.Любой путь через затвор, через который может течь ток, включает транзисторы n- и p-типа. В любом стабильном состоянии включается только один тип, поэтому статическая мощность не рассеивается, а ток течет только при переключении затвора для зарядки паразитной емкости.
   1. КМОП с N-каналом (NCMOS)
      Кремниевый затвор с обратной полярностью
   2. Расширенная CMOS (XCMOS)
      описание
   3. BiCMOS
      Процесс производства полупроводниковых устройств, сочетающий биполярность и КМОП-матрицу для обеспечения наилучшего баланса между доступным выходным током и потребляемой мощностью.

Полупроводниковые приборы

Диоды

Полупроводниковый прибор, проводящий электрический ток только в одном направлении. Это простейший вид полупроводникового прибора, он имеет два вывода и один PN переход. Один диод можно использовать как однополупериодный выпрямитель, а четыре — как двухполупериодный выпрямитель.

Транзисторы

Поскольку они «передаточное сопротивление», как и «резисторы», они являются «транзисторами».

Трехконтактное полупроводниковое усилительное устройство, основной компонент большинства активных электронных схем, включая цифровую электронику.

1. Точечный транзистор
   Устройство «Proof of Principle». Тупик. Транзистор был изобретен 23 декабря 1947 года в Bell Labs.
2. биполярный транзистор (также известный как переходной транзистор, многослойный транзистор)
   Транзистор, сделанный из полупроводникового материала n- и p-типа: npn или pnp. Средняя часть называется «базой», а две другие — «коллектором» и «эмиттером». При использовании в качестве усилительного элемента переход база-эмиттер находится в «прямом смещенном» (проводящем) состоянии, а переход база-коллектор является «смещенным в обратном направлении» или непроводящим.Небольшие изменения в токе эмиттера базы (входной сигнал) приводят к тому, что дырки (для устройств pnp) или свободные электроны (для npn) попадают в базу из эмиттера. Притягивающее напряжение коллектора заставляет большую часть этих зарядов проходить внутрь коллектора и собираться им, что приводит к усилению.
3. полевой транзистор (FET)
   Транзистор с областью донорного материала с двумя выводами, называемыми «исток» и «сток», и прилегающей областью акцепторного материала между ними, называемой «затвором».Напряжение между затвором и подложкой управляет током между истоком и стоком, истощая донорную область носителями заряда в большей или меньшей степени. Поскольку через затвор не течет никакой ток (кроме небольшого тока утечки), полевые транзисторы можно использовать для создания схем с низким энергопотреблением.
   1. Junction Field Effect Transistor (JFET)
      Полевой транзистор, в котором проводящий канал находится между pn-переходами в кремниевом материале. Pn переход действует как диод, поэтому он становится проводящим, если напряжение затвора меняется на противоположное.
   2. Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET)
      Большинство современных транзисторов являются MOSFET.

Физика: Полупроводники | Encyclopedia.com

Введение

Полупроводники — это материалы, которые образуют твердые кристаллы (например, кремний и арсенид галлия) и обладают свойствами, сопоставимыми со свойствами диэлектриков и проводников. Типичная проводимость полупроводника (степень, в которой он проводит электричество) зависит от несовершенства материала (например, дефектов решетки), добавленных примесей и внешних условий (например, приложенных электрических полей).Возросшая способность человека управлять степенью проводимости в полупроводниках лежит в основе информационной революции конца двадцатого и начала двадцать первого веков.

Историческая справка и научные основы

Ранние работы

Хотя термин полупроводник впервые был использован примерно в 1911 году, свойства материалов, которые мы сейчас называем полупроводниками, изучались примерно 80 лет назад. Английский физик и химик Майкл Фарадей (1791–1867) провел самую раннюю известную работу в 1830-х годах, исследуя сульфид серебра, проводимость которого увеличивалась при нагревании (в точности противоположно большинству других материалов, таких как металлы).В 1873 году английский инженер Уиллоуби Смит (1828–1891) опубликовал статью о том, что мы теперь называем фотопроводимостью, показав, что проводимость селена увеличивается, когда на него падает свет. Три года спустя профессор естественной философии Уильям Гриллс Адамс (1836–1915) и его ученик Ричард Эванс Дэй открыли фотоэлектрический эффект, когда сообщили, что селен также производит электричество, когда на него попадает свет. Немецкий физик Карл Фердинанд Браун (1850–1918) опубликовал серию работ об электрическом поведении контактов, которые образовывались, когда тонкие металлические проволоки прижимались к поверхности сульфидов металлов.Он обнаружил, что ток, протекающий через устройства, зависит от полярности напряжения на них, что сделало его первооткрывателем выпрямляющего контакта или диода.

Поиск полупроводниковых материалов расширился в начале двадцатого века. После тестирования тысяч материалов американский инженер Гринлиф Уиттиер Пикард (1877–1956) нашел способ обнаруживать радиосигналы с помощью тонкой проволоки из карбида кремния, которую он назвал «кошачьим усом», прижатой к поверхности кристалла кремния (похожего на устройства, протестированные Фердинандом Брауном).В 1906 году Пикард запатентовал свой кристаллический детектор, который стал основным компонентом ранних радиоприемников. Проводя ток в одном направлении больше, чем в другом, кварцевый детектор преобразовывал переменный ток, исходящий от радиоантенны, в более простые сигналы, необходимые для наушников слушателя. Девять лет спустя американский физик Мэнсон Бенедикс разработал кристаллическое устройство, основанное не на кремнии, а на германии. Ни Пикард, ни Бенедикс не могли объяснить, почему их устройства работают, но предоставили убедительные эмпирические доказательства их поведения.

Хотя хрустальные детекторы были популярны среди радиолюбителей, они были привередливыми и ненадежными. В 1904 году, за два года до патента Пикарда, английский инженер-электрик и физик Джон Амброуз Флеминг (1849–1945) изобрел термоэмиссионный клапан — электронный выпрямитель радиоволн. Основываясь на изобретении лампочки американским изобретателем Томасом Эдисоном (1847–1931), Флеминг поместил два электрода в частично откачанную стеклянную (вакуумную) трубку. Тщательно придав форму электродам — ​​отрицательному катоду и положительному аноду — он обнаружил, что электричество, поступающее в трубку в виде переменного тока, «выпрямляется» или преобразуется в постоянный ток.Этот термоэмиссионный клапан или клапан Флеминга позже был применен к диодам.

В 1907 году американский изобретатель Ли Де Форест (1873–1961) изобрел аудион, новый тип вакуумной лампы, вставив третий электрод, называемый сеткой, между двумя электродами выпрямителя Флеминга. Де Форест обнаружил, что подача тока в сеть как выпрямляет, так и усиливает напряжение, протекающее между электродами. Это обеспечило рентабельный способ увеличить передачу голоса по радио. AT&T также модифицировала audion в 1914 году для использования в качестве усилителя сигнала для междугородных телефонных линий.

Хотя обновленный audion имел успех в трансконтинентальной телефонной линии, было ясно, что электронные лампы склонны к отказу. AT&T надеялась, что может быть разработано новое устройство на основе полупроводников. Это было началом промышленных исследований и разработок, которые примерно 40 лет спустя привели к изобретению транзистора.

Полупроводники и квантовая механика

До 1920-х годов работа по полупроводникам была в основном эмпирической и практической.После открытий австрийского физика Эрвина Шредингера (1887–1961) и немецкого физика Вернера Гейзенберга (1901–1976) квантовая механика была применена к развивающейся области физики твердого тела (одной из частей которой были исследования в области полупроводников). Первым шагом к квантовой теории твердого тела стал анализ электронов в металлах. Немецкий физик Арнольд Зоммерфельд (1868–1951), работавший в Мюнхенском университете, начал с классической модели, в которой электроны рассматриваются как невзаимодействующий газ, и добавил так называемую статистику Ферми-Дирака, в которой никакие два электрона не могли делиться друг с другом. те же квантовые состояния.

Хотя теория Зоммерфельда улучшила согласие с экспериментальными данными, все же были заметные недостатки, в том числе ее неспособность объяснить, как электроны могут иметь большую длину свободного пробега в кристаллах (то есть иметь такие большие расстояния между столкновениями). В 1928 году один из учеников Гейзенберга, американский теоретик швейцарского происхождения Феликс Блох (1905–1983), ответил на этот вопрос в своей докторской диссертации, рассматривая металл как трехмерную решетку. После того, как Блох использовал периодический потенциал для представления атомов, составляющих кристаллическую решетку, он смог предположить, что функция, описывающая расположение электронов, приняла форму, отражающую структуру потенциала решетки.Из этого предположения естественно вытекала большая длина свободного пробега электронов. Что еще более важно, вместо того, чтобы находить дискретные уровни энергии, как в отдельных атомах, Блох обнаружил, что электроны в металлах имеют зону или диапазон разрешенных энергий.

Использование Блохом квантовой теории позволило предсказать проводимость проводников, но не смогло определить разницу между изоляторами, проводниками и полупроводниками. Это было достигнуто английским физиком Аланом Уилсоном (1939-1939), чьи работы по теории зон почти единолично сделали изучение полупроводников и физику твердого тела в целом признанными областями исследований.В дополнение к формализму Блоха Вильсон использовал идеи британского физика немецкого происхождения Рудольфа Пайерлса (1907–1995), который обнаружил, что вакансии в почти заполненных электронных зонах можно рассматривать как «дырки», которые ведут себя так, как если бы они были положительно заряженными носителями. Он также обнаружил, что в твердых телах электронные зоны часто бывают прерывистыми, где зоны разрешенных энергий разбиты на области запрещенных энергий или «запрещенные зоны».

Wilson объединил эти идеи и нашел простое и убедительное объяснение разницы между типами материалов.Проводники были материалами, в которых электроны заполнялись до уровня, который все еще находился в непрерывном диапазоне энергий и, следовательно, мог свободно перемещаться от атома к атому. Изоляторы представляли собой материалы, в которых электроны заполняли одну полосу энергий, после чего оставалась большая энергетическая щель до следующей доступной полосы. Даже если бы изолятор был нагрет до высоких температур, электроны не смогли бы перепрыгнуть через зазор в следующую зону, где они могли бы перемещаться по твердому телу. Полупроводники были просто изоляторами с меньшей запрещенной зоной.При нагревании электроны могли выпрыгивать из валентной зоны в зону проводимости. Это произвело свободный электрон в зоне проводимости и дырку или пустое пространство в валентной зоне.

Чистые (или внутренние) полупроводники можно контролировать, добавляя примеси с атомными уровнями, находящимися между валентной зоной и зоной проводимости. Этот процесс называется легированием. Это можно сделать двумя способами: Добавление примесей, которые содержат на один электрон больше, чем исходный полупроводник, приводит к материалу n-типа (например, кремнию, легированному фосфором).Дополнительные электроны или основные носители в зоне проводимости доступны для проводимости; дыры — неосновные носители. Добавление примесей, которые содержат на один электрон меньше, чем исходный полупроводник, приводит к образованию материала p-типа (такого как кремний, легированный бором). В этом случае дырки в валентной зоне являются основными носителями, доступными для проводимости.

Теория полупроводников также выиграла от изучения выпрямляющих контактов. Один из самых важных вкладов был сделан немецким теоретиком Вальтером Шоттки (1886–1976) в 1939 году, работая в немецкой электронной фирме Siemens.Он изучал промышленные выпрямители, используемые в энергетических приложениях, которые основывались на переходах между медью и закисью меди, полупроводником p-типа. После обсуждения с Пайрелсом Шоттки заметил, что небольшая разность потенциалов возникает на поверхности полупроводника, и его свободные электроны частично уносятся наружу. Это оставляет обедненную область с низкой проводимостью на поверхности, где не было доступных носителей для проводимости. После расчета формы и ширины обедненной области Шоттки обнаружил, что если положительное смещение (положительное напряжение) приложено к стороне полупроводника, то обедненная область устраняется и течет ток.Однако, если к металлической стороне приложено положительное смещение, нормальная разность потенциалов между материалами увеличивается вместе с шириной обедненной области, и ток не течет.

Новые приложения

Эти прорывы в теории твердого тела позволили разработать устройства, которые невозможно было представить в конце девятнадцатого и начале двадцатого веков. Одним из наиболее важных применений этой науки во время Второй мировой войны стала разработка радара.В 1917 году Никола Тесла (1856–1943) впервые применил электромагнитную энергию для обнаружения объектов на расстоянии; к середине 1930-х годов появились международные усилия, возглавляемые, главным образом, британским ученым Робертом Уотсон-Ваттом (1892–1973), который запатентовал первую работоспособную систему в 1935 году. В 1940 году Соединенные Штаты согласились помочь британским военным усилиям, создав систему своего рода Манхэттенский проект радара, Радиационная лаборатория (Rad Lab) Массачусетского технологического института.

Британцы поделились новым источником электромагнитного излучения со своими американскими союзниками — устройством, называемым магнетроном резонатора, в котором использовался выпрямитель, обычно на основе полупроводниковых материалов, в частности кремния.Rad Lab привлекла американского ученого Фредерика Зейтца (1911–) и его группу физики твердого тела в Пенсильванском университете для получения более чистых исходных образцов кремния и контроля последующего легирования. Зейтц, опубликовавший влиятельный учебник, обобщающий современные на тот момент знания в области физики твердого тела, теперь руководил своей исследовательской группой в экспериментах, которые очищали образцы кремния путем многократного плавления, а затем тщательно легировали их бором.

Другие новые разработки были вдохновлены военными усилиями, но прибыли слишком поздно, чтобы повлиять на их исход.Одна группа, связанная с Rad Lab в Университете Пердью, возглавлялась американским физиком австрийского происхождения Карлом Ларк-Горовицем (1892–1958), который произвел образцы германия высокой чистоты, легированные оловом. Полученные выпрямители смогли выдержать примерно в десять раз большее напряжение, чем кремниевые устройства. Германиевые выпрямители сошли с производственных линий Western Electric в начале 1945 года, не вовремя, чтобы повлиять на развертывание радиолокационных систем военного времени, но оказали значительное влияние на общую электронику.

Еще одной разработкой военного времени был полупроводниковый диод нового типа, открытый американским ученым Расселом Олом (1898–1987) в Bell Laboratories в 1939 году. Ол случайно обнаружил соединение между областями p-типа и n-типа во время тестирования образца кремния. При дальнейшем исследовании он обнаружил, что этот p-n переход действует как выпрямитель (ток проходит, когда положительный потенциал прикладывается к стороне p-типа диода, но не когда он прикладывается к стороне n-типа), и что он производит относительно большое напряжение, когда на него попадает свет с помощью фотоэлектрического эффекта, типа фотоэлектрического эффекта.

После войны Bell Labs продолжила поиск устройств, которые могли бы заменить дорогие и ненадежные ламповые усилители. Американский ученый Уолтер Браттейн (1902–1987) занял место в отделении вместе с Джоном Бардином (1908–1981), который покинул академические круги ради промышленных исследований и разработок. Они работали с американским инженером Уильямом Шокли (1910–1989), одним из директоров подразделения.

Группа сначала попыталась реализовать концепцию Шокли полевого транзистора (FET), в котором два электрода (позже названные истоком и стоком) были размещены на обоих концах куска полупроводникового материала и внешнего электрода ( ворота) был размещен выше.Шокли надеялся, что соответствующее напряжение на внешнем электроде создаст слой заряда для соединения входного и выходного электродов. Такое регулирование протекания тока сделало устройство похожим по работе на триодную вакуумную лампу.

К сожалению, первые попытки в 1945 году не увенчались успехом. Бардин и Браттейн подозревали, что некорректные квантовые состояния на поверхности полупроводника захватывают носители заряда и формируют электрический экран, который нейтрализует влияние внешнего электрода за пределы поверхности.Чтобы проверить эту гипотезу, они провели ряд экспериментов, в конечном итоге решив проблему, поместив электролит (например, воду) между внешним электродом и полупроводником.

Это привело команду к новой конструкции полупроводника, в которой использовалась пластина из германия n-типа и три контакта: один внизу пластины и два вверху. Бардин и Браттейн обнаружили, что первые версии этого устройства давали небольшое, но многообещающее усиление. В этот момент они сделали важное и неожиданное открытие: когда два поверхностных контакта были достаточно близко друг к другу, работа устройства значительно улучшилась.

Бардин и Браттейн затем построили еще одно устройство, используя два выпрямляющих поверхностных контакта, расположенных близко друг к другу, с умным подпружиненным узлом. 16 декабря 1947 года этот точечный транзистор дал сильное усиление. Команда определила, что когда одному выпрямляющему точечному контакту (эмиттеру) давалось прямое смещение (в данном случае положительное напряжение), он вводил дырки в германий n-типа, которые затем притягивались к другому точечному контакту (коллектору), так как это было обратное смещение (отрицательное) напряжение.Поскольку дырки, неосновные носители внутри материала n-типа, были так же важны, как и сами электроны (основные носители), устройство было названо биполярным транзистором.

Шокли не принимал большого участия в разработке точечных транзисторов и стремился внести свой вклад. Фактически, расхождение во мнениях относительно интерпретации точечного транзистора привело его к еще лучшему дизайну транзистора. В то время как Бардин и Браттейн считали, что неосновные носители ограничены поверхностью транзистора и не могут проходить через основную часть полупроводника, Шокли придерживался противоположной точки зрения, предлагая транзистор, который будет включать транспортировку неосновных носителей в объеме.

Этот биполярный переход или npn-транзистор состоял из трех слоев полупроводника; два внешних (эмиттер и коллектор) были n-типа; средний слой (основа) — р-образный. В отличие от точечного транзистора, в котором эмиттер и коллектор были расположены очень близко друг к другу на поверхности большой базы, в переходном транзисторе база должна была быть очень тонкой, чтобы эмиттер и коллектор находились достаточно близко друг к другу. Работа американского физико-химика Гордона Тила (1907–2003) и американского инженера Моргана Спаркса (1916–2008) по выращиванию германиевых p-n-переходов сделала такие узкие области основания технически возможными; новый переходный транзистор был окончательно продемонстрирован 12 апреля 1950 года.Два года спустя работа Генри Тойерера по выращиванию высокоочищенных кремниевых переходов позволила создать кремниевые переходные транзисторы.

Интегральные схемы

В 1950-х и 1960-х годах миниатюризация электроники была мотивирована потребительскими товарами, такими как радиоприемники и слуховые аппараты, военными приложениями, такими как ракетные системы, и многими областями научных исследований. Идея монолитной интегральной схемы, объединяющей множество компонентов в одной части, стимулировала множество исследований.Впервые идея была реализована в работающих устройствах двумя людьми примерно одновременно. В компании Texas Instruments американский инженер Джек Килби (1923–2005) в сентябре 1958 г. осознал, что резисторы, конденсаторы и транзисторы можно сделать из кремния и объединить в одной детали. Однако, поскольку Texas Instruments еще не разработала кремниевую технологию, в которой он нуждался, первые универсальные схемы Килби были основаны на германии, включая генератор и схему переключения, называемую триггером.

Несколько месяцев спустя в начинающей компании Fairchild Semiconductor американский инженер Роберт Нойс (1927–1990) придумал еще лучший подход к монолитной интеграции. В 1958 году Fairchild начал производство дискретных кремниевых транзисторов с использованием подхода «мезы», впервые примененного в Bell Labs: каждая тонкая кремниевая пластина была обозначена тщательно нанесенной восковой накладкой. Затем подвергшуюся воздействию область подвергали кислотному травлению, в результате чего оставались приподнятые поверхности «мезы» на месте воска. Вскоре вместо восковых пятен Fairchild обратился к фотолитографии, при которой на кремниевую пластину наносился светочувствительный материал и экспонировалось изображение схемы.Затем слабая кислота открывала желаемые области, которые затем подвергались травлению и последующему легированию в диффузионных печах.

Другой ученый из Fairchild, Жан Хорни (1924–1997), представил концепцию планарного производства, в котором многие устройства были построены на кремниевой пластине и соединены металлическими полосками, опять же, с использованием фотолитографии. На различных этапах пластин покрывали диоксидом кремния, чтобы облегчить травление и диффузию, а также дать защитное покрытие готовому продукту.Новая технология Fairchild чудесно сработала при создании интегральных схем; компания выиграла патент на него в 1961 году.

В КОНТЕКСТЕ : РАБОТА ПЕРЕХОДНОГО ТРАНЗИСТОРА

Когда напряжение подается на npn-транзистор, дополнительные электроны в полупроводнике n-типа рекомбинируют и уничтожают такое же количество дырок в области p-типа вблизи границ np. Это формирует небольшую обедненную область на каждой границе, в которой нет доступных носителей заряда. Когда транзистор смещен (находится под напряжением) в простой схеме усиления, так называемой конфигурации с общим эмиттером, напряжение между коллектором и эмиттером намного больше, чем напряжение между базой и эмиттером.Следовательно, переход база-коллектор сильно смещен в обратном направлении, что дает ему большую связанную область обеднения. Поскольку переход база-эмиттер слегка смещен в прямом направлении, эмиттер n-типа инжектирует электроны в базу p-типа. Затем электроны тянутся через зону обеднения положительно смещенным коллектором. Очень небольшие изменения тока база-эмиттер могут привести к большим изменениям тока коллектор-эмиттер. Коэффициент усиления вычисляется как отношение тока коллектора к току базы.

Технологии производства интегральных схем привели к разработке новых устройств, наиболее важным из которых на самом деле было старое: идея Шокли 1945 года о полевом транзисторе (FET). В 1960 году американский физик корейского происхождения Давон Кан (1931–1992) и уроженец Египта Мартин Аталла из Bell Labs разработали вариант идеи Шокли, в которой электроды стока и истока были подключены или не подключены в зависимости от того, есть ли напряжение на электроде затвора. создал инверсионный слой неосновных носителей.Например, когда подложка p-типа подвергается воздействию положительного напряжения затвора, то инверсионный слой электронов соединяет исток и сток n-типа. Новая планарная технология позволила относительно легко изготовить полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника (или полевого МОП-транзистора), тем более что кремниевые поверхности, которые доставили Шокли столько проблем, теперь могут быть обезврежены с помощью «пассивации» окончательного покрытия из диоксида кремния. . MOSFET, в свою очередь, позволил новый всплеск миниатюризации и, поскольку он был дешевле в производстве, почти заменил переходные транзисторы (хотя они все еще производились для специальных применений).

Современные культурные связи

Миниатюризация имела решающее значение для компьютерной революции, которая произошла в годы после изобретения MOSFET. Два самых важных новых устройства были разработаны Intel, компанией, основанной в 1968 году учеными, в том числе Робертом Нойсом (1927–1990) и американским инженером-химиком из Венгрии Эндрю Гроувом (1936–2002). В 1970 году Intel выпустила первую оперативную память (RAM) с использованием кремниевой обработки (Intel 1103).Годом позже был изготовлен первый микропроцессор (Intel 4004). В течение следующего десятилетия Intel продолжала совершенствовать свои продукты, и в 1981 году сильно выиграла, когда IBM выбрала микропроцессор Intel 8088 для своего персонального компьютера. Хотя это и не первый персональный компьютер (Xerox и Commodore представили свои собственные несколькими годами ранее), модель IBM на базе Intel доминировала на рынке.

В КОНТЕКСТЕ : МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ПОЛУПРОВОДНИКИ

Исследования полупроводников сильно взаимодействуют с материаловедением, разработкой новых твердых тел для практических приложений.После новаторских работ таких исследователей, как Фредерик Зейтц (1911–) и Рассел Ол (1898–1987) до и во время Второй мировой войны, развитие транзисторов и микроэлектроники еще больше усилило это взаимодействие.

В 1948 году идея Уильяма Шокли (1910–1989) о переходе или npn-транзисторе представляла серьезную техническую проблему. Хотя Рассел Ол обнаружил pn-переход в полупроводниковом материале, никто еще не нашел воспроизводимого способа создания слоев из полупроводникового материала с различными легировками.Несмотря на первоначальное отсутствие интереса со стороны Bell Labs, Гордон Тил (1907–2003) и Морган Спаркс (1916–2008) разработали метод «выращивания» кристаллов германия. Крошечная затравка кристалла германия медленно извлекалась из ванны с расплавленным германием, и, когда это происходило, в расплав добавлялись различные легирующие примеси, образуя участки полупроводников n- или p-типа.

После появления npn-транзистора в 1950 году напрашивались дальнейшие улучшения. Неосновные носители, от которых зависели новые устройства, легко терялись при прохождении через основание как из-за нежелательных примесей (а не из-за тщательно добавленных легирующих примесей), так и из-за дефектов решетки в полупроводнике.Кроме того, из-за свойств материала кремний явно оказался лучшим транзистором, чем германий. В 1952 году Bell Labs начала расширять использование технологии «плавающей зоны», разработанной Уильямом Пфанном в 1950 году, при которой нагретый элемент многократно пропускался через стержень из германия, удаляя нежелательные примеси. Генри Тойерер применил эту технику для очистки кремния, и стало возможным производство кремниевых переходных транзисторов. В 1954 году Тил, теперь работающий в недавно созданной компании Texas Instruments, объявил о производстве кремниевого транзистора.

С тех пор были обнаружены новые полупроводниковые материалы, одним из больших классов которых являются составные полупроводники. В 1950-х годах немецкий физик-теоретик и физик-прикладник Генрих Велкер (1912–1981) показал, что такие материалы, как арсенид галлия (GaAs), антимонид алюминия (AlSb) и фосфид индия (InP), могут быть классифицированы как полупроводники, согласно утверждениям американского физика-теоретика. Теория химической связи Линуса Полинга (1901–1994). Велкер подтвердил это в экспериментах, продемонстрировавших способность этих материалов образовывать выпрямляющие контакты.

Было показано, что арсенид галлия имеет определенные преимущества по сравнению с кремнием, в том числе способность работать с более высокой скоростью и большей мощностью, что делает его привлекательным для приложений в военной связи. Его высокая скорость делает GaAs желательным и для вычислительных систем, но до сих пор он оказался слишком дорогостоящим. Структура его электронных полос делает GaAs превосходным для генерации света, и он используется в светодиодах (СИД) и твердотельных лазерах.

С момента изобретения интегральной схемы компьютерные части стали более плотными из-за их меньшего размера.Микропроцессоры, построенные в начале 1970-х годов, содержали около 5000 транзисторов и имели размеры элементов (кремниевые или металлические линии) около 10 микрон. Микропроцессоры Intel Pentium в начале 2000-х годов содержали около 30 миллионов транзисторов и имели размеры менее 0,2 микрона. В настоящее время нанотехнологии, проектирование и производство функциональных электронных систем на молекулярном уровне изучаются как академическими исследователями, так и руководителями отрасли. Некоторые синоптики предполагают, что нанолитография позволит получить интегральные схемы с характеристиками ниже нуля.05 микрометрический уровень. Другие предполагают, что нанотехнология полностью уведет компьютерное оборудование от технологий на основе полупроводников в сторону совершенно новых методов хранения информации.

См. Также Химия: молекулярная структура и стереохимия; Химия: состояния вещества: твердые тела, жидкости, газы и плазма.

библиография

Книги

Hoddeson, Lillian, E. Braun, J. Teichmann и S. Weart. Из кристаллического лабиринта: главы из истории физики твердого тела. New York: Oxford University Press, 1992.

Hoddeson, Lillian, and Vicki Daitch. Настоящий гений: жизнь и наука Джона Бардина, единственного лауреата двух Нобелевских премий по физике. Вашингтон, округ Колумбия: Джозеф Генри Пресс, 2005.

Риордан, Майкл и Лилиан Ходдесон. Хрустальный огонь: рождение информационного века. Нью-Йорк: W.W. Norton, 1997.

Зейтц, Фредерик и Норман Г. Эйнспрух. Электронный джин: запутанная история кремния. Урбана и Чикаго: University of Illinois Press, 1998.

Periodicals

Herring, Conyers. «Воспоминания о первых годах физики твердого тела». «Физика сегодня» (апрель 1992 г.): 26–33.

Дженкинс, Тюдор. «Краткая история… полупроводников», Физическое образование 40, вып. 5 (2005): 430–439.

Нойс, Роберт. «Микроэлектроника». Scientific American 237, № 3 (сентябрь 1977 г.): 63–69.

Веб-сайты

Институт инженеров по электротехнике и электронике, Виртуальный музей IEEE, Давайте станем маленькими: сужающийся мир микроэлектроники.«Маленькое начало: от ламп к транзисторам». http://www.ieee-virtual-museum.org/exhibit/exhibit.php?id=159270 (по состоянию на 11 ноября 2007 г.).

Нобелевский фонд. «Технологии и предпринимательство в Кремниевой долине». http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/articles/lecuyer/index.html (по состоянию на 11 ноября 2007 г.).

Гэри Дж. Вайзел

полупроводник | Определение, примеры, типы, использование, материалы, устройства и факты

Полупроводник , любой из класса кристаллических твердых веществ, промежуточных по электропроводности между проводником и изолятором.Полупроводники используются в производстве различных видов электронных устройств, включая диоды, транзисторы и интегральные схемы. Такие устройства нашли широкое применение благодаря своей компактности, надежности, энергоэффективности и невысокой стоимости. В качестве дискретных компонентов они нашли применение в силовых устройствах, оптических датчиках и излучателях света, включая твердотельные лазеры. Они обладают широким спектром возможностей управления током и напряжением и, что более важно, поддаются интеграции в сложные, но легко производимые микроэлектронные схемы.Они являются и будут в обозримом будущем ключевыми элементами для большинства электронных систем, обслуживающих приложения связи, обработки сигналов, вычислений и управления как на потребительском, так и на промышленном рынках.

Полупроводниковые материалы

Твердотельные материалы обычно делятся на три класса: изоляторы, полупроводники и проводники. (При низких температурах некоторые проводники, полупроводники и изоляторы могут стать сверхпроводниками.) На рисунке показаны проводимости σ (и соответствующие удельные сопротивления ρ = 1 / σ), которые связаны с некоторыми важными материалами каждого из трех классов.Изоляторы, такие как плавленый кварц и стекло, имеют очень низкую проводимость, порядка от 10 ⁻¹⁸ до 10 ⁻¹⁰ сименс на сантиметр; а проводники, такие как алюминий, обладают высокой проводимостью, обычно от 10 ⁴ до 10 ⁶ сименс на сантиметр. Электропроводность полупроводников находится между этими крайними значениями и обычно чувствительна к температуре, освещению, магнитным полям и незначительным количествам примесных атомов. Например, добавление примерно 10 атомов бора (известного как легирующая примесь) на миллион атомов кремния может увеличить его электрическую проводимость в тысячу раз (частично с учетом большой вариабельности, показанной на предыдущем рисунке).

проводимости

Типичный диапазон проводимости для изоляторов, полупроводников и проводников.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Изучение полупроводниковых материалов началось в начале 19 века. Элементарные полупроводники состоят из отдельных видов атомов, таких как кремний (Si), германий (Ge) и олово (Sn) в столбце IV и селен (Se) и теллур (Te) в столбце VI периодической таблицы. Однако существует множество сложных полупроводников, которые состоят из двух или более элементов.Арсенид галлия (GaAs), например, представляет собой бинарное соединение III-V, которое представляет собой комбинацию галлия (Ga) из столбца III и мышьяка (As) из столбца V. Тройные соединения могут быть образованы элементами из трех разных столбцов: например, теллурид индия ртути (HgIn ₂ Te ₄ ), соединение II-III-VI. Они также могут быть образованы элементами из двух столбцов, такими как арсенид алюминия-галлия (Al _x Ga _{1 — x} As), который представляет собой тройное соединение III-V, где как Al, так и Ga происходят из столбец III и нижний индекс x относятся к составу двух элементов от 100 процентов Al ( x = 1) до 100 процентов Ga ( x = 0).Чистый кремний является наиболее важным материалом для приложений интегральных схем, а бинарные и тройные соединения III-V являются наиболее важными для излучения света.

таблица Менделеева

Современная версия периодической таблицы элементов.

Encyclopædia Britannica, Inc.

До изобретения биполярного транзистора в 1947 году полупроводники использовались только как двухполюсные устройства, такие как выпрямители и фотодиоды. В начале 1950-х годов германий был основным полупроводниковым материалом.Однако он оказался непригодным для многих применений, поскольку устройства, изготовленные из этого материала, демонстрируют высокие токи утечки только при умеренно повышенных температурах. С начала 1960-х годов кремний стал наиболее широко используемым полупроводником, фактически вытеснив германий в качестве материала для изготовления устройств. Это обусловлено двумя основными причинами: (1) кремниевые устройства демонстрируют гораздо более низкие токи утечки и (2) диоксид кремния (SiO ₂ ), который является высококачественным изолятором, легко интегрируется в кремниевый корпус. на базе устройства.Таким образом, кремниевая технология стала очень продвинутой и повсеместной, и кремниевые устройства составляют более 95 процентов всей проданной во всем мире полупроводниковой продукции.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас

Многие из составных полупроводников обладают некоторыми определенными электрическими и оптическими свойствами, которые превосходят их аналоги из кремния. Эти полупроводники, особенно арсенид галлия, используются в основном для оптоэлектроники и некоторых радиочастотных (RF) приложений.

Электронные свойства

Полупроводниковые материалы, описанные здесь, представляют собой монокристаллы; т.е. атомы расположены в трехмерном периодическом порядке. Часть A рисунка показывает упрощенное двумерное представление собственного (чистого) кристалла кремния, содержащего незначительные примеси. Каждый атом кремния в кристалле окружен четырьмя ближайшими соседями. Каждый атом имеет четыре электрона на внешней орбите и делит эти электроны со своими четырьмя соседями.Каждая общая электронная пара представляет собой ковалентную связь. Сила притяжения между электронами и обоими ядрами удерживает два атома вместе. Для изолированных атомов (например, в газе, а не в кристалле) электроны могут иметь только дискретные уровни энергии. Однако, когда большое количество атомов объединяется, чтобы сформировать кристалл, взаимодействие между атомами заставляет дискретные уровни энергии расширяться в энергетические зоны. Когда отсутствует тепловая вибрация (т.е.при низкой температуре), электроны в изоляторе или полупроводниковом кристалле полностью заполняют ряд энергетических зон, оставляя остальные энергетические зоны пустыми.Полоса с самым высоким заполнением называется валентной полосой. Следующая зона — это зона проводимости, которая отделена от валентной зоны запрещенной зоной (щели в кристаллических изоляторах намного больше, чем в полупроводниках). Эта запрещенная зона, также называемая запрещенной зоной, представляет собой область, обозначающую энергии, которыми электроны в кристалле не могут обладать. Большинство важных полупроводников имеют ширину запрещенной зоны в диапазоне от 0,25 до 2,5 электрон-вольт (эВ). Ширина запрещенной зоны кремния, например, составляет 1,12 эВ, а ширина запрещенной зоны арсенида галлия — 1.42 эВ. Напротив, ширина запрещенной зоны алмаза, хорошего кристаллического изолятора, составляет 5,5 эВ.

При низких температурах электроны в полупроводнике связаны в своих соответствующих зонах в кристалле; следовательно, они недоступны для электропроводности. При более высоких температурах тепловая вибрация может разорвать некоторые ковалентные связи с образованием свободных электронов, которые могут участвовать в проводимости тока. Как только электрон удаляется от ковалентной связи, с этой связью связана электронная вакансия.Эта вакансия может быть заполнена соседним электроном, что приводит к смещению положения вакансии с одного узла кристалла на другой. Эту вакансию можно рассматривать как фиктивную частицу, названную «дырой», которая несет положительный заряд и движется в направлении, противоположном направлению электрона. Когда к полупроводнику прикладывается электрическое поле, как свободные электроны (теперь находящиеся в зоне проводимости), так и дырки (оставшиеся в валентной зоне) перемещаются через кристалл, создавая электрический ток.Электропроводность материала зависит от количества свободных электронов и дырок (носителей заряда) в единице объема и от скорости, с которой эти носители движутся под действием электрического поля. В собственном полупроводнике существует равное количество свободных электронов и дырок. Однако электроны и дырки обладают разной подвижностью; то есть они движутся с разными скоростями в электрическом поле. Например, для собственного кремния при комнатной температуре подвижность электронов составляет 1500 квадратных сантиметров на вольт-секунду (см ² / В · с) —i.е., электрон будет двигаться со скоростью 1500 сантиметров в секунду под действием электрического поля один вольт на сантиметр, в то время как подвижность дырок составляет 500 см ² / В · с. Подвижности электронов и дырок в конкретном полупроводнике обычно уменьшаются с повышением температуры.

Электрическая проводимость в собственных полупроводниках довольно низкая при комнатной температуре. Чтобы добиться более высокой проводимости, можно намеренно ввести примеси (обычно до концентрации одной части на миллион атомов хозяина).Это называется легированием, процесс, который увеличивает проводимость, несмотря на некоторую потерю подвижности. Например, если атом кремния заменен атомом с пятью внешними электронами, таким как мышьяк ( см. часть B рисунка), четыре электрона образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния. Пятый электрон становится электроном проводимости, который передается в зону проводимости. Кремний становится полупроводником типа n из-за добавления электрона.Атом мышьяка является донором. Точно так же часть C рисунка показывает, что, если атом с тремя внешними электронами, такими как бор, заменяется атомом кремния, дополнительный электрон принимается для образования четырех ковалентных связей вокруг атома бора, и положительно заряженная дырка образует создан в валентной зоне. Это создает полупроводник типа p , в котором бор является акцептором.

Введение в полупроводники

Сущность полупроводника

Полупроводник можно рассматривать как материал, имеющий проводимость в диапазоне между проводимостью изолятора и металла.Важнейшим свойством полупроводников является запрещенная зона; диапазон запрещенных энергий в электронной структуре материала. Полупроводники обычно имеют ширину запрещенной зоны от 1 до 4 эВ, в то время как изоляторы имеют большую ширину запрещенной зоны, часто превышающую 5 эВ [1]. Тепловая энергия, доступная при комнатной температуре, 300 К, составляет примерно 25 мэВ и, таким образом, значительно меньше энергии, необходимой для продвижения электрона через запрещенную зону. Это означает, что при комнатной температуре присутствует небольшое количество носителей из-за высокоэнергетического хвоста больцмановского распределения тепловой энергии.Именно способность контролировать количество носителей заряда делает полупроводники очень важными в технологическом плане.

Полупроводниковые материалы очень чувствительны к примесям в кристаллической решетке, так как они могут сильно повлиять на количество присутствующих мобильных носителей заряда. Контролируемое добавление этих примесей известно как легирование и позволяет настраивать электронные свойства, что является важным требованием для технологических приложений. Свойства чистого полупроводника называются «внутренними», в то время как свойства, возникающие в результате введения примесей, называются «внешними».Это введение примесей приводит к созданию новых внутризонных энергетических уровней и генерации либо отрицательных (электроны), либо положительных (дырки) носителей заряда. Более подробную информацию о допинге можно найти на веб-странице электронной структуры полосы.

Полупроводниковые материалы

Элементарные полупроводники

Составные полупроводники III-V

Полупроводники соединения II-VI

Составные полупроводники прочие

Кристаллическая структура

При нажатии на заголовок откроются соответствующие изображения для этой кристаллической структуры.Более подробную информацию о кристаллографии можно найти на этой странице.

Кубические структуры

Кубические структуры обладают тем простым свойством, что их элементарные ячейки принимают форму куба. Существует три основных варианта кубической кристаллической системы: простая кубическая, объемно-центрированная кубическая (ОЦК) и гранецентрированная кубическая (ГЦК) структуры. Наибольший интерес представляет гранецентрированная кубика, так как несколько производных этой структуры встречаются среди полупроводниковых материалов.

Структура FCC

Решетка ГЦК имеет атом в углах элементарной ячейки в дополнение к одному в центре каждой грани.Эта структура часто принимается металлами, поскольку она максимизирует их координационное число.

Алмазная структура

Сильные ковалентные связи, которые углерод образует с самим собой, приводят к образованию тетраэдрически связанной структуры алмаза.Каждый атом алмаза связан с четырьмя соседями и имеет координационное число 8. Алмаз является материалом-прототипом, однако другие элементы группы IV (Si, Ge и Sn) также имеют эту структуру.

Структура цинковой обманки

Как и кремний и германий, полупроводники соединений AIIIBV образуют связи с ковалентными характеристиками.Это приводит к конструкции, очень похожей на структуру алмаза, однако в алмазе каждый атом углерода связан с другим атомом углерода. В структуре цинковой обманки каждый атом связан с атомом разного вида, что приводит к смешанной решетке. Структура цинковой обманки состоит из двух взаимопроникающих решеток ГЦК, одна из которых смещена на 1/4 элементарной ячейки. Один тип атомов занимает один набор позиций решетки, а другой тип — вторую решетку.

Большое количество полупроводников на основе соединений AIIIBV используют эту структуру, включая AlAs, GaAs, GaP, InP и ZnSe.

Шестиугольные конструкции

Гексагональные структуры обладают гексагональной симметрией, при этом элементарная ячейка принимает форму ромба.

Структура вюрцита

Многие полупроводники на основе соединений III-V также можно выращивать в структурной фазе, известной как вюрцит, которая является гексагональным аналогом структуры цинковой обманки.

Список литературы

1. Х. П. Майерс, Введение в физику твердого тела, Taylor & Francis, 1990

Библиография

• J.R. Hook, H.E. Холл (1991). Физика твердого тела (2-е изд.) Wiley, Manchester Physics Series. ISBN 0-471-92805-4
• Чарльз Киттель (2005). Введение в физику твердого тела (8-е изд.). Нью-Йорк: Вили. ISBN 0-471-11181-3
• Терли, Джим (2002).Основное руководство по полупроводникам. Prentice Hall PTR. ISBN 0-13-046404-X.
• Ю., Петр Ю .; Кардона, Мануэль (2004). Основы полупроводников: физика и свойства материалов. Springer. ISBN 3-540-41323-5.
• Джон Х. Дэвис (1998). Физика низкоразмерных полупроводников — Введение Cambridge University Press. ISBN 0-521-48491-X
• Зе, Саймон М. (1981). Физика полупроводниковых приборов (2-е изд.). Джон Уайли и сыновья (WIE).ISBN 0-471-05661-8.
• Бен Г. Ститман и Санджай Кумар Банерджи (2006), твердотельные электронные устройства, Pearson Education Inc. ISBN 0-13-149726-X
• Х. П. Майерс (1990), Введение в физику твердого тела, Тейлор и Фрэнсис. ISBN 0-85066-761-5

Внешние ссылки

Полупроводник

материал, который имеет электрическую проводимость между
проводник и изолятор называется
полупроводник.Кремний, германий и графит — некоторые
примеры полупроводников. Полупроводники — это основа
современная электроника, в том числе транзисторы, светодиоды,
солнечные батареи и др.

В
полупроводники, запрещенная зона между валентной зоной и
зона проводимости очень мала. Имеет запрещенный зазор около 1
электрон-вольт (эВ).

в
низкой температуре валентная зона полностью занята
электронов и зона проводимости пуста, потому что электроны в
валентной зоне не хватает энергии, чтобы перейти в
зона проводимости.Следовательно, полупроводник ведет себя как изолятор.
при низкой температуре.

Однако
при комнатной температуре часть электронов в валентной зоне усиливается.
достаточно энергии в виде тепла и переходит в зону проводимости.
Когда валентность
электроны перемещаются в зону проводимости, они становятся свободными электронами.
Эти электроны не прикреплены к ядру атома, поэтому они
свободно перемещается.

Электроны зоны проводимости несут ответственность за электрические
проводимость. Мера способности проводить электрический ток
называется электропроводностью.

Когда
температура продолжает расти, номер валентной зоны
количество электронов, перемещающихся в зону проводимости, также увеличивается. Этот
показывает, что электропроводность полупроводника увеличивается
при повышении температуры.т.е. полупроводник имеет отрицательную
температурный коэффициент сопротивления. Сопротивление
полупроводник уменьшается с повышением температуры.

В
полупроводники, электрический ток переносится двумя типами заряда
носителями они являются электроны и дырки.

Введение, включая устройства и нанофизику: Грундманн, Мариус: 9783540253709: Amazon.com: Книги

Из обзоров:

«Эта книга основана на двух семестровых курсах автора по полупроводникам в Лейпцигском университете.… Это идеально подходит для курсов бакалавриата, чтобы дать обзор основ полупроводников.… Книга отвечает своей основной цели — дается краткое изложение основ полупроводников, устройств и приложений… Я рекомендую эту книгу для всех университетских библиотек и в качестве учебника для курсов бакалавриата ». (Ченнупати Джагадиш, Австралийская физика, т.44 (4), 2007)

«Эта книга основана на двухсеместровом курсе физики полупроводников.… Книга представляет собой широкий обзор современных областей физики и технологии полупроводников с большим количеством рисунков и диаграмм.… Книга предназначена для на старших курсах бакалавриата и магистратуры по физике полупроводников, физике твердого тела и физической электронике. Читатели получат пользу от превосходной интеграции текста и рисунков, ссылок и указателя «. (Рева Гарг, Новости оптики и фотоники, апрель 2007 г.)

«Физика полупроводников» предоставляет материал для всестороннего учебного курса для студентов и аспирантов по данному предмету, направляя читателей к тому моменту, когда они могут выбрать специальную тему и начать контролируемое исследование.Учебник обеспечивает баланс между основными аспектами физики твердого тела и полупроводников, с одной стороны, и принципами различных полупроводниковых устройств и их приложений в электронных и фотонных устройствах, с другой. В нем освещаются многие практические аспекты полупроводников, такие как сплавы, деформация, гетероструктуры, наноструктуры, которые необходимы в современных исследованиях полупроводников, но обычно опускаются в учебниках. Для заинтересованного читателя включены некоторые дополнительные расширенные темы, такие как зеркала Брэгга, резонаторы, поляризованные и магнитные полупроводники.Также предоставляются явные формулы для многих результатов, чтобы облегчить понимание. Физика полупроводников не требует или почти не требует предварительных знаний в области физики твердого тела и возникла на основе высоко оцененного двухсеместрового курса в Лейпцигском университете.

Об авторе

Профессор доктор Мариус Грундманн изучал физику в Техническом университете Берлина. Он работал над эпитаксией и определением электронных и оптических свойств полупроводниковых гетероструктур, наноструктур и устройств на их основе.С 2000 года он является профессором экспериментальной физики в Лейпцигском университете.

Физика полупроводников органо-неорганических двумерных галогенидных перовскитов