Какие бывают полупроводники: Какие бывают типы полупроводников?

Какие бывают типы полупроводников?

Есть два основных типа полупроводников; внутреннее и внешнее. Материал, содержащий собственный полупроводник, находится в целом в чистом состоянии. Внешний полупроводник может быть далее классифицирован как n-тип или p-тип. Это тот, к которому были добавлены примеси для получения желаемого состояния. Полупроводники N-типа и p-типа являются внешними полупроводниками, в которые были добавлены различные примеси, и, следовательно, имеют разные проводящие свойства.

Полупроводник обычно представляет собой кристаллическое твердое вещество, в котором проводимость, обусловленная потоком электронов, находится между проводимостью металла и изолятора. Собственные полупроводники — это такие материалы с небольшим количеством примесей или без примесей, причем наиболее широко используется кремний. Структура атомной решетки кристаллов кремния состоит из совершенных ковалентных связей, а это означает, что существует мало свободных электронов для перемещения. Кристалл почти изолятор. Когда температура поднимается выше абсолютного нуля, вероятность индуцирования потока электронов в материале увеличивается.

Этот эффект может быть значительно увеличен путем введения примесей в структуру решетки, которые делают доступным большее количество свободных электронов. Процесс добавления определенных примесей в полупроводники называется легированием. Добавленная примесь называется легирующей добавкой. Количество легирующей примеси, добавленной к собственному полупроводнику, пропорционально меняет уровень его проводимости. Внешние полупроводники являются продуктами процесса легирования.

Добавки называются акцепторами или донорами и изменяют концентрации носителей заряда в полупроводнике. В полупроводниках есть два типа носителей заряда; свободный электрон и дырка, где электрон находился в валентной зоне атома. Электрон является отрицательным носителем заряда, а дырка считается положительным носителем заряда той же величины. Донорные присадки имеют больше электронов в валентной зоне, чем материал, который он заменяет, что дает больше свободных электронов. Присадки-акцепторы имеют меньше электронов в валентной зоне, чем материал, который он заменяет, создавая больше дырок.

Полупроводники N-типа являются внешними полупроводниками, в которых использовались донорные присадки. В результате увеличивается количество отрицательных электронных носителей заряда. Отрицательные носители заряда называются основными носителями в n-типе, в то время как положительные носители заряда называются меньшинствами.

Полупроводники P-типа являются результатом использования акцепторных присадок. По мере реформирования ковалентных связей решетки остаются дырки в валентных зонах окружающего материала. Увеличение дырок увеличивает концентрацию положительных носителей заряда. Магистральный носитель для p-типа будет положительным, а меньшинство — отрицательным.

Путем легирования могут быть получены полупроводники с различными и дополняющими проводящими свойствами. Важным применением этого является pn-переход, где полупроводники p-типа и n-типа приводятся в тесный контакт. Один из эффектов соединения состоит в том, чтобы позволить отверстиям и электронам объединяться, производя свет. Это светодиод (LED). Pn-переход также образует диод, в котором электричество может проходить в одном направлении через переход, но не в другом, что является требованием для цифровой электроники.

ДРУГИЕ ЯЗЫКИ

Примеры полупроводников. Типы, свойства, практическое использование

Самым известным полупроводником является кремний (Si). Но, кроме него, есть много других. Примером могут служить такие природные полупроводниковые материалы, как цинковая обманка (ZnS), куприт (Cu₂O), галенит (PbS) и многие другие. Семейство полупроводников, включая полупроводники, синтезированные в лабораториях, представляет собой один из наиболее разносторонних классов материалов, известных человеку.

Характеристика полупроводников

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

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

Полупроводники встречаются среди химических соединений с разнообразными кристаллическими структурами. Это могут быть такие элементы, как кремний и селен, или двойные соединения, как арсенид галлия. Многие органические соединения, например полиацетилен (СН)_n, – полупроводниковые материалы. Некоторые полупроводники проявляют магнитные (Cd_1-xMn_xTe) или сегнетоэлектрические свойства (SbSI). Другие при достаточном легировании становятся сверхпроводниками (GeTe и SrTiO₃). Многие из недавно открытых высокотемпературных сверхпроводников имеют неметаллические полупроводящие фазы. Например, La₂CuO₄ является полупроводником, но при образовании сплава с Sr становится сверхроводником (La_1-xSr_x)₂CuO₄.

Учебники физики дают полупроводнику определение как материалу с электрическим сопротивлением от 10^-4 до 10⁷ Ом·м. Возможно и альтернативное определение. Ширина запрещённой зоны полупроводника — от 0 до 3 эВ. Металлы и полуметаллы – это материалы с нулевым энергетическим разрывом, а вещества, у которых она превышает З эВ, называют изоляторами. Есть и исключения. Например, полупроводниковый алмаз имеет запрещённую зону шириной 6 эВ, полуизолирующий GaAs – 1,5 эВ. GaN, материал для оптоэлектронных приборов в синей области, имеет запрещённую зону шириной 3,5 эВ.

Энергетический зазор

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

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

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

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

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

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

Примесная и собственная проводимость полупроводников

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

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

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

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

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

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

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

Одноэлементные полупроводники

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

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

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

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

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

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

Двухэлементные соединения

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

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

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

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

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

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

Оксиды

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

Положение кардинально изменилось после того, как во многих соединениях меди с кислородом была открыта сверхпроводимость. Первым высокотемпературным сверхпроводником, открытым Мюллером и Беднорцем, стало соединение, основанное на полупроводнике La₂CuO₄ с энергетическим зазором 2 эВ. Замещая трёхвалентный лантан двухвалентным барием или стронцием, в полупроводник вводятся переносчики заряда дырки. Достижение необходимой концентрации дырок превращает La₂CuO₄ в сверхпроводник. В данное время наибольшая температура перехода в сверхпроводящее состояние принадлежит соединению HgBaCa₂Cu₃O₈. При высоком давлении её значение составляет 134 К.

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

Слоистые кристаллы

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

MoS_2, дисульфид молибдена применяется в высокочастотных детекторах, выпрямителях, мемристорах, транзисторах. dE=1,23 и 1,8 эВ.

Органические полупроводники

Примеры полупроводников на основе органических соединений – нафталин, полиацетилен (CH₂)_n, антрацен, полидиацетилен, фталоцианиды, поливинилкарбазол. Органические полупроводники обладают преимуществом перед неорганическими: им легко придавать нужные качества. Вещества с сопряжёнными связями вида –С=С–С=, обладают значительной оптической нелинейностью и, благодаря этому, применяются в оптоэлектронике. Кроме того, зоны энергетического разрыва органических полупроводников изменяются изменением формулы соединения, что намного легче, чем у обычных полупроводников. Кристаллические аллотропы углерода фуллерен, графен, нанотрубки – тоже полупроводниками.

— Фуллерен имеет структуру в виде выпуклого замкнутого многогранника из чётного количества атомов углеорода. А легирование фуллерена С₆₀ щелочным металлом превращает его в сверхпроводник.

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

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

Магнитные полупроводники

Соединения с магнитными ионами европия и марганца обладают любопытными магнитными и полупроводниковыми свойствами. Примеры полупроводников этого типа – сульфид европия, селенид европия и твёрдые растворы, подобные Cd_1-x­Mn_xTe. Содержание магнитных ионов влияет на то, как в веществах проявляются такие магнитные свойства, как антиферромагнетизм и ферромагнетизм. Полумагнитные полупроводники – это твёрдые магнитные растворы полупроводников, которые содержат магнитные ионы в небольшой концентрации. Такие твёрдые растворы обращают на себя внимание своей перспективностью и большим потенциалом возможных применений. Например, в отличие от немагнитных полупроводников, в них можно достигнуть в миллион раз большего фарадеевского вращения.

Сильные магнитооптические эффекты магнитных полупроводников позволяют использовать их для оптической модуляции. Перовскиты, подобные Mn_0,7Ca_0,3O_3, своими свойствами превосходят переход металл-полупроводник, прямая зависимость которого от магнитного поля имеет следствием явление гигантской магнето-резистивности. Применяются в радиотехнических, оптических приборах, которые управляются магнитным полем, в волноводах СВЧ-устройств.

Полупроводниковые сегнетоэлектрики

Этот тип кристаллов отличается наличием в них электрических моментов и возникновением спонтанной поляризации. Например, такими свойствами обладают полупроводники титанат свинца PbTiO₃, титанат бария BaTiO₃, теллурид германия GeTe, теллурид олова SnTe, которые при низких температурах имеют свойства сегнетоэлектрика. Эти материалы применяются в нелинейно-оптических, запоминающих устройствах и пьезодатчиках.

Разнообразие полупроводниковых материалов

Помимо упомянутых выше полупроводниковых веществ, есть много других, которые не попадают ни под один из перечисленных типов. Соединения элементов по формуле 1-3-5₂ (AgGaS₂) и 2-4-5₂ (ZnSiP₂) образуют кристаллы в структуре халькопирита. Связи соединений тетраэдрические, аналогично полупроводникам 3–5 и 2–6 групп с кристаллической структурой цинковой обманки. Соединения, которые образуют элементы полупроводников 5 и 6 групп (подобно As₂Se₃), – полупроводниковые в форме кристалла или стекла. Халькогениды висмута и сурьмы используются в полупроводниковых термоэлектрических генераторах. Свойства полупроводников этого типа чрезвычайно интересны, но они не обрели популярность по причине ограниченного применения. Однако то, что они существуют, подтверждает наличие ещё до конца не исследованных областей физики полупроводников.

В поисках сверхпроводников, работающих при комнатной температуре, не требующих экстремального давления

Сверхпроводники используются в МРТ и ускорителях частиц, но они должны оставаться при низких температурах, чтобы поддерживать нулевое электрическое сопротивление. В течение десятилетий исследователи искали решение этой проблемы: сверхпроводники, работающие при комнатной температуре. Многие считают, что это открытие откроет двери для множества повседневных задач. До сих пор единственный зарегистрированный сверхпроводник, работающий при комнатной температуре, требует для работы высокого давления, но некоторые исследователи полагают, что они могут создавать сверхпроводники при атмосферном давлении, создавая материалы с правильной химической комбинацией. Посмотрите, как, по мнению исследователей, может возникнуть этот сверхпроводник, и почему другие ученые настроены скептически.

Полупроводники типы проводимости — Справочник химика 21

    Фосфор, мышьяк или сурьма (имеющие электронное строение внешнего энергетического уровня s pЗ и проявляющие валентность 5), будучи введенными в кристаллические решетки германия или олова (электронное строение внешнего уровня 5 р валентность 4) ведут себя как донорные примеси, т. е. отдают электроны и создают проводимость п-типа. Если же в германий или кремний ввести бор, алюминий, галлий или индий (электронное строение внешнего уровня 5 р, валентность 3), то атомы примеси захватывают четвертый электрон и полупроводник обнаруживает проводимость р-типа. [c.186]









    ПОЛУПРОВОДНИКИ — вещества с электронной проводимостью, величина электропроводности которых лежит между электропроводностью металлов и изоляторов. Характерной особенностью П. является положительный температурный коэффициент электропроводности (в отличие от металлов). Электропроводность П. зависит от температуры, количества и природы примесей, влияния электрического поля, света и других внешних факторов. К П. относятся простые вещества — бор, углерод (алмаз), кремний, германий, олово (серое), селен, теллур, а также соединения — карбид кремния, соединения типа filmen (инднй — сурьма, индий — мышьяк, галлий — сурьма, алюминий — сурьма), соединения двух или трех элементов, в состав которых входит хотя бы один элемент IV—VII групп периодической системы элементов Д. И. Менделеева, некоторые органические вещества — полицены, азоаромати-ческие соединения, фталоцианин, некоторые свободные радикалы и др. К чистоте полупроводниковых материалов предъявляют повышенные требования, например, в германии контролируют примеси 40 элементов, в кремнии — 27 элементов и т. д. Тем не менее некоторые примеси придают П. определенные свойства и тип проводимости, а потому и являются необходимыми. Содержание примесей не должно превышать 10 —Ш %. П. применяются в приборах в виде монокристаллов с точно определенным содержанием примесей. Применение П. в различных отраслях техники, в радиотехнике, автоматике необычайно возросло в связи с большими преимуществами полупроводниковых приборов — они экономичны, надежны, имеют высокий КПД, малые размеры и др. [c.200]

    ЧИСЛО возможных уровней в зоне ровно в два раза больше, чем число электронов, вследствие чего она является зоной проводимости. Этим объясняется также высокая электрическая проводимость этих металлов. Существует несколько основных типов взаимного расположения энергетических зон (рис. А.62), соответствующих изолятору, одновалентному металлу, двухвалентному металлу, полупроводнику с собственной проводимостью, примесному полупроводнику и-типа и примесному полупроводнику р-типа. Соотношение энергетических зон (рис. А.62) определяет также тип проводимости твердого тела. [c.142]

    Если в правом конце лодочки поместить монокристаллическую затравку и образовать одну зону плавления непосредственно рядом с затравкой, то, перемещая зону плавления влево, можно получить весь слиток германия в виде монокристалла с ориентацией кристаллографических плоскостей, какие имела затравка. Если в расплавленную зону ввести легирующую примесь с К зоны расплава вдоль всего слитка можно достигнуть равномерного распределения примеси и получить образцы с определенным типом проводимости и с определенной концентрацией подвижных носителей заряда в примесном полупроводнике. [c.262]

    Подобный дрейф электронов эквивалентен перемещению дырок в противоположном направлении, т. е. к катоду. Таким образом, перенос электричества в полупроводниках осуществляется как электронами, перешедшими в зону проводимости, так и дырками в валентной зоне, т. е. имеет место электронная (л-типа) и дырочная (р-типа ) проводимость. [c.118]

    Тройные окислы, образованные членами одного ряда, имеют ясную тенденцию сохранять тип проводимости, свойственный бинарным окислам. Комбинация изолятора с полупроводником ведет себя подобно полупроводнику, однако свойства соединений, образованных полупроводниками различного типа, не могут быть заранее предсказаны.  [c.22]

    В восстанавливаемых системах могут существовать только не-восстанавливающиеся окислы и сульфиды, т. е. окислы всех метал- лов (за исключением уже обсуждавшихся металлических катализаторов) и большинство сульфидов (за исключением сульфидов благородных металлов). Кроме того, нестехиометрический избыток кислорода (или серы), необходимый для создания проводимости р-типа, не может быть сохранен при условиях восстановления. Поэтому окись хрома и окись марганца становятся изоляторами или полупроводниками м-типа. В окислительных условиях полупроводники п-типа имеют тенденцию становиться стехиометрическими, но р-тип проводимости появляется при избытке кислорода и серы. [c.28]

    Дефекты структур кристаллов также влияют на электропроводность полупроводников, обычно вызывая дырочную проводимость. В зависимости от преобладания того ИЛИ иного типа проводимости различают полупроводники п-типа и полупроводники р-типа. [c.151]

    Применение ударных волн, с помощью которых в изученных оксидах были достигнуты давления от 9 до 30 ГПа, дало значительное повышение каталитической активности на 2. ..3 порядка. Существенным является то, что такой эффект имел место для оксидов титана и цинка, которые представляют собой полупроводники с электронным типом проводимости. Обработка ударным сжатием монооксида никеля, который является полупроводником с дырочным типом проводимости, показала, что каталитическая активность его осталась неизменной. Возможно, что усиление каталитической активности указанных оксидов объясняется частичным их восста- [c.218]

    Одним из основных условий применимости этого метода является отсутствие р—п-перехода, т. е. можно изучать диффузию атомов, создающих проводимость, аналогичную собственному типу проводимости пластины. Иногда запирающий р—п-переход создают специально, чтобы обеспечить возможность непосредственного измерения диффузионного слоя. Таким способом можно изучать диффузию доноров в полупроводнике р-типа, и наоборот. Измерения проводимости при этом осуществляются четырехзондовым методом. При измерении удельного сопротивления на плоской отполированной поверхности полупровод никового материала устанавливают четыре точечных зонда, располо женных достаточно близко друг от друга и далеко от границ образ ца, чтобы последние не влияли на электрическое поле вблизи контак тов. Внешние зонды —токовые, а два внутренних — потенциальные Расстояния между зондами обычно принимают равными 0,5—1,5 мм Необходимо располагать зонды таким образом, чтобы они лежали на одной прямой. Удельное сопротивление больших образцов рассчитывают по формуле [c.157]

    Глубина контактного поля. При возникновении контакта между областями полупроводника с различным типом проводимости начинается взаимная диффузия основных носителей заряда. Электроны переходят из и-полупроводника, где их концентрация выше, в р-полупроводник, где диффузия дырок идет в противоположном направлении. Возникновение диффузионных потоков приводит к разделению зарядов, вследствие чего появляется объемный заряд, положительный в п-области и отрицательный в р-области, и в области контакта возникает электрическое поле, направленное от -области к р-области (рис. 188, а). [c.458]

    Большинство собственных полупроводников путем введения соответствующих примесей может быть выполнено как п- или р-тип. Такие полупроводники называют амфотерными. Например, примеси элементов VI группы (S, Se, Те) к полупроводникам типа A i сообщает им п-проводимость, а добавки элементов II группы (Mg, Zn, d) — проводимость p-типа. Однако некоторые полупроводники бывают только в виде одного типа. Например, ZnO и dS — только электронные, а Си О — только дырочный. С другой стороны, изменяя состав и характер примесей в амфотерном полупроводнике, можно получить смешанную проводимость (гибридные полупроводники). [c.459]

    В последнее время применяются так называемые эпитаксиальные пленки. Их получают наращиванием полупроводника на основной кристалл. Пленки должны точно повторять кристаллическую структуру подложки, но могут отличаться типом проводимости, вследствие чего можно создать р—л-переходы с заданной концентрацией носителей зарядов, получить низкоомные слои на высокоомных полупроводниках и наоборот. Широко используются в промышленности методы наращивания эпитаксиальных пленок кремния и германия в случае восстановления тетрахлоридов очень чистым водородом при повышенной температуре  [c. 249]

    Полупроводниковые кристаллы-активные среды полупроводниковых лазеров. Излучение в них генерируется в результате переходов между энергетич. уровнями зоны проводимости и валентной зоны. Иссюльзуют [юлу-проводники типа А В , А «В , А В . Активные элементы изготовляют из монокристаллов (напр., dS, GaAs, InAs, PbS), содержащих в своем объеме области, для к-рых характерен электронно-дырочный переход (р — и-переход), и из кристаллич. гетероструктур, образованных чередованием кристаллич. слоев, различающихся по хим. составу, но имеющих одинаковый период кристаллич. решетки. Наиб, распространены гетероструктуры, образованные слоями полупроводников типа А «В на основе арсенидов, фосфидов, антимонидов Ga и А1 и их твердых р-ров. Гетероструктуры получают также на основе многокомпонентных (тройных и более) твердых р-ров замещения (напр., Al,Ga, As), в к-рых при изменении состава в широких пределах период решетки не меняется. Полупроводниковые монокристаллы [юлучают из особо чистых исходных в-в кристаллизацией из расплавов (метод Чохральского, горизонтально направленная или зонная кристаллизация в контейнере, бестигельная зонная плавка) и эпитаксиальным выращиванием тонких кристаллич. слоев при кристаллизации из газовой фазы или расплавов твердых р-ров. Необходимые характеристики достигаются введением примесей в расплав или методом ионного внедрения примесных атомов. В качестве легирующих примесей используют, напр., элементы П (Zn, d, Mg акцепторы электронов), IV, VI (Sn, Те, Se, S доноры) групп. Благодаря разнообразию полупроводниковых кристаллов созданы лазеры, излучающие в диапазоне длин волн 0,3-30 мкм, обладающие малой инерционностью ( 10 с) и высоким кпд (до 50%), работающие как в импульсном, так и в непрерывном режиме (мощности 10 Вт при длительности импульса 3 НС и 10 Вт соответственно). Лучевая прочность полупроводниковых Л. м. ограничивает выходную мощность лазеров. [c.566]

    Применение германия. Наличие у германия двух типов проводимости обусловливает его применение в качестве полупроводника в электронике и радиотехнике (транзисторы). [c.192]

    Если кислород или другое электроотрицательное вещество химически адсорбируется на поверхности полупроводника л-типа, например на оксиде цинка, на германии и др., то атомы кислорода отбирают электроны от полупроводника и образуют на поверхности отрицательные ионы. Отрицательный заряд ионов кислорода может компенсироваться положительным пространственным зарядом в полупроводнике (в поверхностном барьере). Увеличение адсорбции повышает высоту барьера, из-за чего уменьшается скорость адсорбции и она ограничивается. Поглощение каждого атома кислорода уменьшает поверхностную проводимость полупроводника, так как в нем уменьшается число основных носителей заряда (число электронов). При значительной химической адсорбции кислорода на п-германии в объеме, примыкающем к поверхности, может даже возникнуть р-тип проводимости. Толщина слоя с обращенной проводимостью (инверсионный слой) достигает 1 мкм.  [c.251]

    Если погруженный в раствор полупроводник обладает проводимостью р типа, вблизи контактной поверхности кристалла образуется р —р переход с весьма высоким уровнем токов насыщения. Естественно, что вольт-амперная характеристика такого контакта ничем не отличается от приведенных выше характеристик для контакта металл—электролит. Таким образом, в некоторых случаях контакт полупроводника с электролитом может являться выпрямляющим и обладает примерно такой же вольт-амперной характеристикой, как р — п переход. [c.202]

    Первое условие легко выполнимо для кремния в инфракрасной области. При больших концентрациях носителей диэлектрическая постоянная полупроводников в инфракрасной области является функцией концентрации носителей. Поэтому данным методом легко можно определять толщину пленки на подложке с малым удельным сопротивлением, даже если пленка и подложка имеют один и тот же тип проводимости. Интерференционный метод дает точность 5% однако его трудно применять, если толщина пленки неравномерна.  [c.144]

    В методе термической диффузии на поверхность полупроводниковой пластины наносят тонкий слой соответствующего элемента, атомы которого в условиях нагрева в вакуумной печи диффундируют в толщу полупроводника и создают нужный тип проводимости. Используют таклметод газовой диффузии в твердый полупроводник. В связи с развитием микроминиатюризации радио- [c.309]

    При высоких температурах это соотношение выполняется, при низких большую роль по сравнению с собственной играет так называемая примесная электропроводность. Атом примеси может отдавать свой электрон (быть донором). Если энергетический уровень электрона примеси окажется вблизи от верхней зоны, то электрон может от примеси перейти к верхнюю зону и превратиться в электрон проводимости. Такие полупроводники называются полупроводниками -типа, или электронными. [c.655]

    При наложении электрического поля электроны, перешедщие в зону проводимости, перемещаются к аноду. В валентной же зоне электрон, находящийся рядом с дыркой, перемещается на это свободное место и освобождается новая дырка, на которую перемещается следующий электрон, оставляющий после себя дырку, и т. д. Подобный дрейф электронов эквивалентен перемещению дырок в противоположном направлении, т. е. к катоду. Таким образом, перенос электричества в полупроводниках (рис. 68) осуществляется как электронами, перешедшими в зону проводимости, так и дырками в валентной зоне, т. е. имеет место электронная (л-типа) и дырочная (/7-типа) проводимость (п-тип от латинского negative — отрицательный, а р-тип от positive — положительный). [c.108]

    Важнейшие области применения. Основн 1Я область применения индия — производство полупроводников. Как к галлий, он является акцепторной примесью, сообщающей германию и кремнию дырочный тип проводимости. Поэтому применяется для создания п—р-переходов. Широкому его применению благоприятствуег то, что он легко смачивает поверхность германия и хорошо сплавляется с ним при низкой температуре. Фосфид, арсенид и антимонид, индия — полупроводники, представляющие большой практический интерес. В частности, антимонид индия обладает исключительно большой подвижностью электронов. Это соединение используется для изготовления датчиков эффекта Холла в приборах для измерения магнитных полей и инфракрас- [c.299]

    В полупроводниках ге-типа проводимость обусловлена перемещением электронов, а в полупроводниках р-типа проводимость обусловлена перемещением дырок , т. е. катионных вакансий. [c.20]

    Пленки нестехиометрических продуктов химической коррозии на металлах являются полупроводниками с двумя типами проводимости — ионной и электронной (см. гл. 2, 7). В зависимости от характера проводимости различают три типа окисных пленок 1) р-полупроводники, которые растут вследствие передви- [c.62]

    При наличии В полупроводниковых материалах примесей соотношение числа электронов и дырок может изменяться, т. е. может усиливаться или дь[рочная, или электронная проводимость. Предположим, что в кристалле кремния в качестве нримсси имеются атом[,1 мьпиьяка (4.s 4p ), При образовании связей с окружаю1и,ими атомами кремния As Sp ) атомы мышьяка используют четыре своих электрона. Пятый же электрон сравнительно легко возбуждается и переходит в зону проводимости. Таким образом, примесь мышьяка усиливает у кремния электронную проводимость. Наоборот, введение в кристалл кремния атомов бора (2s 2p ) приводит к валентной ненасыщенности атомов Si, т, е. усиливает у полупроводника дырочную проводимость (рис. 69). В зависимости от преобладания того или иного вида проводимости различают полупроводники л-типа и полупроводники /)-ти1га. [c.109]

    При невысоких температурах доля электронов, переп1едших в возбужденные состояния, невелика. Поэтому у полупроводников с собственной проводимостью валентная зона почти заполнена (свободные состояния имеются лишь у верхнего края зоны), а зона проводимости почти свободна (заняты состояния у дна 301И11). Соответственно почти пустая зона проводимости у полупроводника /г-типа и почти заполненная валентная зона у полупроводника / -типа. Как мы уже отмечали, поведение электронов почти пустой зоны аналогично поведению свободных электронов с массой т [формула (УП1. 47) для кинетической энергии и формула (УИ1.45) для энер[ етической плотности состояний]. Состояние электронов почти заполненной валентной зоны может быть. описано путем рассмотрения движения свободных квазичастиц — дырок [формулы (УП1.48) и (УП1.49)]. Соответственно говорят об электронной проводимости, обусловленной электронами зоны проводимости, и дырочной проводимости, обусловленной движением электронов ( дырок ) валентной зоны. В случае полупроводников с собственной проводимостью осуществляются оба механизма проводимости — электронный и дырочный. В случае полупроводников п-типа имеет мес- [c.194]

    Кристаллические кремний и германий образуют твердые растворы замещения с очень ограниченным числом атомов sp-элементов IIIA и VA подгрупп, что приводит к появлению различных типов проводимости в таких полупроводниках. Этим пользуются для получения р—п-переходов, что имеет громадное практическое значение (см. гл. IX). [c.142]

    Электролитическое травление и полирование широко применяются для исследования свойств и обработки полупроводниковых материалов и в технологии изготовления полупроводниковых приборов. В случае полупроводников процесс анодного растворения оказывается сильно зависящим от типа проводимости образца. Травление и полирование полупроводников п-типа в общем случае протекает значительно труднее, чем р-типа. Влияние типа проводимости на скорость анодного растворения наиболее изучено для германия. На образцах германия прямым экспериментом было доказано участие дырок в анодном процессе (Брэттен, Гэрретт). [c.217]

23 Общие свойства и классификация полупроводников

1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

1.1. Общие свойства и классификация полупроводников

Полупроводники по удельному сопротивлению, которое при комнатной температуре составляет 10^-6–10⁹ Ом×м, занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Они обладают совокупностью физических свойств, которые выделяют их среди других материалов.

В отличие от проводников электропроводность полупроводников увеличивается с ростом температуры (рис. 4.1). Для полупроводников характерна зависимость значения удельной проводимости от вида и количества содержащихся в них примесей. Например, при введении в чистый кремний 0,001 % фосфора его удельная проводимость увеличивается в 10⁵ раз.

Рис. 4.1. Зависимость удельной проводимости от температуры для металлов (а) и полупроводников (б)

Свойства полупроводниковых материалов сильно зависят от внешних факторов – электрического и магнитного полей, электромагнитного и ядерного излучений и др.

По химическому составу полупроводниковые материалы делят на простые вещества (атомные, элементарные полупроводники – германий, кремний, теллур и др.) и химические соединения различных типов. Если входящие в состав соединений вещества обозначить как А и В, то основные типы бинарных соединений представляют следующим образом: A^IIB^VI(Cu₂O, CuS и др. ), A^IIIB^V(GaAs, GaP, InP и др.), A^IVB^IV(SiC и др.). Полупроводниковые свойства присущи тройным соединениям CuAlS₂, CuSbS₂, CuFeS₂, ZnSiAs₂, PbBiSe₂ и твердым растворам GeSi, GaAs_1-xP_x, In_xAl_1-xSb  и др. К твердым органическим полупроводникам относятся фталоцианин, антрацен, нафталин и др. [2].

Основным типом химической связи между атомами в элементарных полупроводниках является ковалентная, в химических соединениях – смешанная ионно-ковалентная. Наиболее распространенными типами кристаллической структуры являются структура типа алмаза (ГЦК с базисом) для простых веществ; сфалерита и вюрцита – для химических соединений. По структуре полупроводниковые материалы могут быть монокристаллическими, поликристаллическими и неупорядоченными (стеклообразными).

Уникальные свойства полупроводниковых материалов обусловили широкое техническое применение их для изготовления самых различных приборов – полупроводниковых диодов, транзисторов, тиристоров, фотодиодов, фототранзисторов, светодиодов, полупроводниковых лазеров, а также датчиков давлений, магнитных полей, температур, излучений и др. Использование полупроводников вызвало коренные преобразования в радиотехнике, кибернетике, автоматике, телемеханике. Полупроводниковая электроника открыла новые пути микроминиатюризации различного электронного оборудования.

Полупроводники основные — Энциклопедия по машиностроению XXL

В электронном полупроводнике основными носителями заряда являются электроны, поток их от горячего конца к холодному будет больше, че.м от холодного к горячему. В результате этого на холодном конце будет накапливаться  [c.73]

В таком полупроводнике основными носителями заряда будут дырки, а неосновными — электроны.  [c.270]

В электронном полупроводнике основными носителями заряда, как известно, являются электроны, поток их от горячего конца к холодному будет больше, чем от холодного к горячему. В результате этого на холодном конце будет накапливаться отрицательный заряд, на горячем оставаться нескомпенсированный положительный. Возникшее электрическое поле будет вызывать поток электронов от холодного конца к горячему. Стационарное состояние установится при равенстве этих электронов. У дырочного полупроводника на холодном конце возникнет положительный заряд. Таким образом, по знаку термоЭДС можно судить о типе электропроводности полупроводника.  [c.277]

Полупроводники бывают простые и-сложные. Полупроводник, основной состав которого образован атомами одного химического элемента, будет простым. Полупроводник, основной состав которого образован атомами двух или большего числа химически)б элементов, будет- сложным.  [c.568]

Показатель преломления п(0). Для диэлектриков и слаболегированных полупроводников основной вклад в поляризуемость при не слишком высоких температурах, когда (20- 30)кв, дают  [c.74]

Если работа выхода электрона из металла меньше работы выхода из электронного полупроводника (Ф [c. 73]

Таким образом, наличие поверхностных уровней приводит к обогащению или обеднению приповерхностного слоя полупроводника основными носителями заряда, а при определенных условиях и к образованию инверсного слоя.  [c.80]

Для большинства полупроводников основным является изменение концентрации носителей заряда, определяемое энергией активации. Так как ширина запрещенной зоны может как увеличиваться, так и уменьшаться при сближении атомов, то у различных полупроводников одна и та же деформация может вызывать как увеличение, так и уменьшение удельной проводимости.  [c.335]

Если полупроводник легирован донорами, то количество электронов в зоне проводимости значительно превышает число дырок в валентной зоне. Электроны в таком полупроводнике — основные носители  [c.248]

Выше был отмечен ряд указаний на то, что в жидких полупроводниках основную роль играет молекулярная структура. Термохимические данные дают мощное средство для получения выводов о существовании соединений в бинарных сплавах и, следовательно, являются потенциальным источником информации о структуре сплавов. Прежде чем детально обсуждать термохимические данные, целесообразно заметить, что имеется  [c.58]

Для полупроводников основным фактором является деформация энергетических зон и появление поверхностных состояний, поверхностных экситонов и др. В металлах, помимо этих факторов, важную роль играет отражение электронов проводимости от поверхности и изменения их скоростей в поверхностном слое.  [c.192]

Очевидно, что для правильного использования термометров сопротивления нет необходимости в детальном понимании процессов электропроводности. Однако исследования, направленные на улучшение воспроизводимости результатов измерений, расширение диапазона применения термометров, едва ли будут эффективными без общего знакомства с теоретическими основами их работы. Прежде чем приступить к описанию характеристик и практического использования основных типов термометров сопротивления, рассмотрим кратко теорию электропроводности чистых металлов, сплавов и полупроводников.  [c.186]

Необходимо сразу отметить, что процессы, обусловливающие электропроводность, очень сложны. Хотя качественная сторона этих процессов вполне ясна и теория позволяет предсказать общий вид температурной зависимости сопротивления металлов,, сплавов и полупроводников, однако количественные оценки недостаточно точны для расчета характеристик термометров сопротивления. Основная трудность вычислений связана с необходимостью точного теоретического учета относительного вклада различных конкурирующих процессов.  [c.187]

В зависимости от того, чем в основном обусловлена проводимость, электронами или дырками, проводимость полупроводника относят к п- или р-типу.  [c.198]

Причина изменения полярности, по-видимому, заключается в образовании непроводящ,их пористых осадков гидроксида цинка или основных солей цинка в условиях, когда цинк является анодом по отношению к железу, и в образовании оксида цинка, когда цинк является катодом [15]. Последнее соединение является полупроводником с электронной проводимостью. Следовательно, в аэрированной воде пленка ZnO может работать как кислородный элект-> род, чей потенциал, как и в случае прокатной окалины на стали, положителен по отношению к цинку и железу. Соответственно,  [c.237]

Для изготовления транзистора из монокристалла германия с электронной проводимостью в него с двух противоположных сторон вводится примесь атомов индия. Две области монокристалла германия с примесью индия становятся полупроводниками с дырочной проводимостью, а на границах соприкосновения их с основным кристаллом возникают  [c.159]

Кинга написана на основе курса лекций, читавшихся автором в течение многих лет на физическом факультете МГУ. Книга хорошо известна в нашей стране и широко используется а качестве учебного пособия по общему курсу физики о университетах и физико-технических институтах, В новом издании основное содержание книги осталось без существенных изменений. Переработке подверглись главным образом главы, посвященные электронным явлениям в металлах и полупроводниках, а также явлениям в контактах дано понятие о квантовом описании электронных процессов в твердых телах кроме того, внесены более мелкие изменения в других частях книги.  [c.928]

В то же время, при наличии в диэлектрике примесных атомов, свободные носители заряда могут появиться за счет термической активации примесных уровней. Вследствие этого при нормальных и низких температурах проводимость в диэлектриках имеет примесный характер. Так же, как и в полупроводниках, носителями заряда здесь могут быть электроны и дырки. Если примесь имеет донорный характер, то основными носителями заряда являются электроны, а неосновными — дырки. Такой диэлектрик (по аналогии с полупроводником) называют электронным или диэлектриком п-типа. Если же примесь акцепторная, то основными носителями являются дырки. В этом случае диэлектрик называют дырочным или р-типа.  [c. 272]

В последние годы исключительно интенсивно развивается физика некристаллических веществ, к которым относятся жидкие металлы и полупроводники, стекло, аморфные металлические сплавы и т. д. Основной отличительной чертой кристалла является то, что атомы или молекулы, составляющие его, образуют упорядоченную структуру, обладающую периодичностью с дальним порядком. Из-за математических упрощений, связанных с этой периодичностью, физические явления в кристаллических твердых телах были хорошо поняты сразу после создания квантовой механики.  [c.353]

Рассмотрим основные свойства аморфных полупроводников.  [c.360]

В отличие от кристаллического полупроводника, где при комнатной температуре электроны с мелких донорных уровней переходят в зону проводимости, здесь они перейдут, в основном, на локализованные состояния вблизи уровня Ферми. При высокой плотности состояний это приводит к незначительному смещению уровня Ферми из положения Ер в положение и электрические свойства полупроводника практически не изменятся. Новое положение уровня Ферми может быть найдено из условия  [c.365]

Электрофотография (ксерография) — процесс, в котором используются фотопроводящие свойства селенового стекла. Остававшийся долгое время без объяснения этот процесс сейчас в основном понят. Для получения копии сначала заряжают верхнюю поверхность пленки из селенового стекла, распыляя по, ней положительные ионы. При этом на металлической подложке, на которую нанесено стекло, образуется отрицательный заряд изображения. Затем пленку освещают отраженным от копируемого оригинала светом. Там, где на оригинале была буква, свет поглощается, где буквы не было, свет отражается от листа и после попадания на стекло его энергия поглощается электронно-дырочными парами вблизи верхней поверхности. Сильное электрическое поле внутри полупроводника разделяет пары. Электроны поднимаются наверх и нейтрализуют положительные ионы на верхней поверхности дырки движутся к металлической подложке и нейтрализуют на ней отрицательный заряд. В результате этого поверхность селенового стекла становится электронейтральной там, где не было букв на оригинале, и остается положительно заряженной там, где буквы были. Затем к положительно заряженным областям притягиваются отрицательно заряженные черные частицы красителя. Краситель переносится на лист положительно заряженной бумаги и закрепляется нагреванием. На этом процесс копирования заканчивается.  [c.369]

В настоящее время существует много различных материалов, которые используются в качестве активных сред в лазерной технике диэлектрические кристаллы, активированные стекла, газы, растворы и пары красителей, полупроводники и др. В зависимости от вида активной среды различают следующие основные типы лазеров твердотельные, газовые, жидкостные и полупроводниковые. Коротко охарактеризуем их.  [c.285]

Основное характеристическое соотношение для фотопроводимости. Пусть Ли и Д/7 — концентрации неравновесных электронов проводимости и дырок, обусловленные поглощением света в полупроводнике. Выражение для проводимости полупроводника запишем теперь в следующем виде  [c.177]

Основной параметр, определяющий фотопроводимость полупроводника,— время жизни носителей. Для управления этим параметром применяют различные типы примесей,  [c.178]

Предположим теперь, что на р-полупроводник с наружной стороны падает поток фотонов (рис. 7.13, б). Энергия фотонов превышает ширину запреш,енной зоны. Фотоны генерируют электроны проводимости и дырки, которые, возникнув, начинают диффундировать через р-область по направлению к р-п-переходу. Электроны проводимости являются для р-области неосновными носителями, поэтому внутреннее поле в р-п-переходе втягивает их в п-область. Что же касается дырок, то они являются для р-области основными носителями, поэтому поле в р-п-переходе задержит их и возвратит обратно в р-область. В результате происхо-  [c.180]

Полупроводник — вещество, основным свойством которого является сильная зависимость удельной проводимости (см. с. 123) от воздействия внешних факторов.  [c.117]

Первая особенность состоит в том, что уровень Ферми попадает в дозволенную область энергий в сильно легированном некомпенсированном полупроводнике имеет место вырождение газа основных носителей заряда (в конкретном случае — электронов). Поэтому такие материалы часто называют вырожденными.  [c.121]

Если атомы примеси имеют меньший по сравнению с основными заряд ядра, то образуется полупроводник р-типа в нем расщепляется валентная зона с образованием над нею примесных уровней.  [c.602]

В таблицы в основном включены данные о полупроводниках с Egполупроводниковые соединения не описаны . Не приведены также сведения о параметрах различных полупроводниковых приборов.  [c.455]

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

Теплопроводность полупроводников. Полупроводниковые материалы замечательны тем, что могут обладать высокой решеточной теплопроводностью, если их кристаллы не слишком дефектны и состоят из легких атомов, как это имеет место, например, у кремния и, германия (см. табл. 4.2). Их электронную теплопроводность можно изменять в широких пределах, изменяя концентрацию электронного газа путем легирования. Тем не менее для большинства полупроводников основной вклад в теплопроводность вносит решетка. Так, для германия, обладающего удельным сопротивлением 1 Ом см при комнатной температуре, отношение KaJKyieui 10 — Даже для такого полупроводника, как теллурид висмута (В)2Тез), обладающего очень низким удельным сопротивлением Ю» Ом см, отношение Достигает величины всего лишь порядка 0,2.  [c.142]

НИЮ в области барьера дрейфовых потоков над диффузионными (см. Контактные явления в полупроводниках). Основные захономерности Э. н. з. определяются полем заряда, образующегося в объёме полупроводника. Поскольку знак этого заряда противоположен знаку носителей, вытягиваемых в контакт, создаваемое им поле препятствует Э. н. 3. Различия в механизме образования объёмного заряда приводят к необходимости подразделять Э. н. з. (так же, как инжекцию) на монополярную и биполярную (двойную), стационарную и нестационарную. Б. И. Фукс.  [c.506]

Выше было рассмотрено использование в термометрии по сопротивлению электронных полупроводников и других материалов, свойства которых сходны со свойствами полупроводников. Основное внимание уделялось изучению их поведения при температурах ниже 20° К, так как в этой области температур ощущается нужда в термометрах, которые могли бы служить таким же практическим стандартом, каким платиновый термометр является при температурах выше 20° К. Угольные термометры типа радиосопротивлений фирмы Аллен — Брэдли обладают большинством необходимых для этого свойств. Однако для некоторых лабораторных исследований необходимы термометры с другими характеристиками. Можно надеяться, что необходимость в них будет стимулировать дальнейшие поиски и исследования чувствительных к температуре сопротивлений в качестве термометров для всех температурных областей.  [c.182]

М0ЖНЫХ в этой области приближений. Последние диктуются в первую очередь типом кристалла и природой рассматриваемых возбуждений. Так, в ионных кристаллах в инфракрасной области особенно существенными являются оптические ветви колебаний решетки [24]. Однако в тех же ионных кристаллах в области более высоких частот, а особенно в молекулярных кристаллах и некоторых полупроводниках, основную роль играют возбуждения электронного типа [25, 25а]. Наглядно эти возбуждения могут быть представлены как переходящее от узла к узлу возбужденное состояние молекулы (экситон Френкеля) или движущаяся связанная пара электрон-дырка (экситон Ванье — Мотта). Вместе с тем, в силу трансляционной симметрии кристалла, собственные функции, отвечающие возбуждениям, охватывают весь кристалл и имеют характер модулированных плоских волн с волновым вектором к ). Если при этом ограничиться для простоты случаем идеальной неподвижной решетки, то волновая функция возбуждения может быть записана в виде (см., например, [25])  [c.22]

Задача 12. Для модели полупроводника, основное состояние (в = 0) которого представляет полностью заполненную валентную зону и пустую зону проводимости (см. рис. 90), показать, что значение химического потенциала fl лежит в интервале О /г Д (т. е. в запрещенной зоне), определить среднее число возбужденных состояний типа частица—дырка при температуре в внутреннюю энергию и теплоемкость системы, полагая для простоты, что эффективные массы электронного то и дырочного т возбуждений )авны друг другу.  [c.221]

Двойники и дефекты упаковки в монокристаллах также являются довольно распространенными дефектами структуры, возникающими при росте полупроводников. Основными причинами образования двойников в монокристаллах при их выращивании из жидкой фазы являются больщие термические и механические напряжения на периферии фронта кристаллизации, а также включения второй фазы вблизи фронта кристаллизации. Двойники, причины появления которых перечислены выще, получили название двойников прорастания. Приведем примеры ситуаций, в которых появляются двойники прорастания. Значительные напряжения в выращиваемом кристалле, возникающие при кристаллизации полупроводников в тиглях методами Бриджмена и горизонтальной зонной плавки, особенно часто приводят к появлению двойников прорастания. Эти напряжения возникают в результате увеличения объема монокристалла при кристаллизации. Резкие изменения диаметра свободно растущего в методе Чохральского монокристалла также могут вызвать напряжения и появление двойников прорастания на конусной части кристалла. Попадание посторонних включений на поверхность растущего монокристалла в области фронта кристаллизации способствует появлению двойников.  [c.244]

В примесном полупроводнике носители заряда, обусловленные преобладающей примесью, называются основными носителями заряда. В электронном полупроводнике основными носителями заряда будут электроны, в дырочном — дырки. Дырки, присутствующие в электронном нолуироводпике, но не играющие основной роли в проводимости, называются неосновными носителями заряда. Соответственно в дырочном полупроводнике неосновными носителями заряда будут электроны. При любой температуре виутри электронного полупроводникового кристалла имеется как прямой переход электронов с донорных атомов и из ковалентных связей в свободное состояние, так и обратный. В результате устанавливается некоторое динамическое равновесие, обусловленное тепловым движением. Концентрации основных и неосновных носителей заряда при условии  [c.21]

Нитриды — соединения металлов и других элементов непосредственно с азотом. Азот, составляющий основную часть воздуха, всегда в какой-то степени участвует в процессах сварки металлов плавлением, и так как его присутствие легко определяется методами аналитической химии и спектрального анализа, то по содержанию азота в наплавленном металле судим о степени защиты зоны сварки от окружающей воздушной атмосферы. При высоких температурах азот реагирует со многими элементами. Так, s-металлы дают нитриды, которые можно рассматривать как производные аммиака NasN MgaN2 и т.д., р-эле-менты образуют промышленно важные нитриды. Например, боразон, или эльбор, BN (АН°=—252,6 кДж/моль s° = = 14,8 Дж/ моль- К), плотность 2,34 г/см 7 пл=3273 К) представляет собой очень твердый материал, почти не уступающий по твердости алмазу нитрид кремния Si3N4 [АН — = —750 кДж/моль = 95,4 Дж/(моль-К), Г л = 2273 К (возгонка)] — полупроводник (Д = 3,9В) нитрид алюминия AIN разлагается водой.  [c.343]

В полупроводнике, содержа- рочного (б) полупроводников щем акцепторную примесь, электроны легко переходят из валентной зоны на акцепторные уровни. При этом в валентной зоне образуются свободные дырки. Количество свободных дырок здесь значительно превышает количество свободных электронов, образовавшихся за счет переходов из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому дырки являются основными носителями, а электроны — неосновными. Проводимость полупроводника, содержащего акцепторную примесь, имеет дырочный характер, а сам полупроводник в соответствии с этим назьь вается дырочным (или акцепторным).  [c.251]

Существование металлов, полупроводников и диэлектриков, как известно, объясняется зонной теорией твердых тел, полностью основанной на существовании дальнего порядка. Открытие того, что аморфные вещества могут обладать теми же электрическими свойствами, что и кристаллические, привело к переоценке роли периодичности. В 1960 г. А. Ф. Иоффе и А. Р. Регель высказали предположение, что электрические свойства аморфных полупроводников определяются не дальним, а ближним порядком. На основе этой идеи была развита теория неупорядоченных материалов, которая позволила понять многие свойства некристаллических веществ. Большой вклад в развитие физики твердых тел внесли советские ученые А. Ф. Иоффе, А. Р. Регель, Б. Т. Коломиец, А. И. Губанов, В. Л. Бонч-Бруевич и др. Губановым впервые дано теоретическое обоснование применимости основных положений зонной теории к неупорядоченным веществам.  [c.353]

Фотолюминесценция — люминесценция, возникающая при возбуждении светом видимого и ультрафиолетового диапазонов частот фотовоэбуждение). На практике фотовозбуждение используется для получения люминесценции жидких растворов, стекол, твердых диэлектриков и полупроводников. При этом роль центров люминесценции играют специально вводимые в основное вещество ионы или молекулы. Так, например, в твердые диэлектрики и стекла вводят в виде небольших примесей ионы неодима (Nd +) и других редкоземельных элементов. В жидкие растворители вводят, в частности, молекулы органических красителей.  [c.184]

Широкое практическое применение находят неорганические кристаллические люминофоры, называемые кристал-лофосфбрами или, проще, фосфорами (не надо путать с химическим элементом фосфором ). Они используются, например, в светящихся циферблатах часов. Кристаллофос-форы синтезируют, прокаливая специально приготовленные смеси, включающие в себя основное вещество и примеси активаторов, играющих роль центров люминесценции. Все кристаллофосфоры относятся к диэлектрикам или полупроводникам.  [c.184]

Однако помимо мелких уровней, определяемых соотношением (2.69), в полупроводниках имеются локальные уровни, лежащие на значительно больших расстояниях от энергетических зон. Эти глубокие уровни нельзя объяснить водородоподобной моделью и приходится считать, что электроны в таких атомах примеси слабо В(Эаимодействуют с атомами основного вещества, а орбита электрона примесного атома имеет малый радиус. Глубокие примесные уровни играют больщую роль в протекании неравновесных процессов.  [c.93]

Помещаемый здесь справочный материал относится в основном к магнитным свойствам диэлектриков, обладающих антиферромагнитным упорядочением. Кроме того, приведены свойства некоторых антиферромагнит-ных полупроводников, металлов и металлических спла-вов .  [c.652]

Электронно-дырочный переход и его свойства

Подавляющее большинство современных полупроводниковых приборов функционируют благодаря тем явлениям, которые происходят на самих границах материалов, имеющих различные типы электропроводности.

Полупроводники бывают двух типов – n и p. Отличительной особенностью полупроводниковых материалов n-типа является то, в них в качестве носителей электрического заряда выступают отрицательно заряженные электроны. В полупроводниковых материалах p-типа эту же роль играют так называемые дырки, которые заряжены положительно. Они появляются после того, как от атома отрывается электрон, и именно поэтому и образуются положительный заряд.

Для изготовления полупроводниковых материалов n-типа и p-типа используются монокристаллы кремния. Их отличительной особенностью является чрезвычайно высокая степень химической чистоты. Существенно изменить электрофизические свойства этого материала можно, внося в него совсем незначительные, на первый взгляд, примеси.

Символ «n», используемый при обозначении полупроводников, происходит от слова «negative» («отрицательный»). Главными носителями заряда в полупроводниковых материалах n-типа являются электроны. Для того чтобы их получить, в кремний вводятся так называемые донорные примеси: мышьяк, сурьму, фосфор.

Символ «p», используемый при обозначении полупроводников, происходит от слова «positive» («положительный»). Главными носителями заряда в них являются дырки. Для того чтобы их получить, в кремний вводятся так называемые акцепторные примеси: бор, алюминий.

Число свободных электронов и число дырок в чистом кристалле полупроводника совершенно одинаково. Поэтому когда полупроводниковый прибор находится в равновесном состоянии, то электрически нейтральной является каждая из его областей.

Возьмем за исходное то, что n-область тесно соединена с p-областью. В таких случаях между ними образуется переходная зона, то есть некое пространство, которое обеднено зарядами. Его ёщё называют «запирающим слоем», где дырки и электроны, подвергаются рекомбинации. Таким образом, в месте соединения двух полупроводников, которые имеют различные типы проводимости, образуется зона, называемая p-n переходом.

В месте контакта полупроводников различных типов дырки из области p-типа частично следуют в область n-типа, а электроны, соответственно, – в обратном направлении. Поэтому полупроводник p-типа заряжается отрицательно, а n-типа – положительно. Эта диффузия, однако, длится только до тех пор, пока возникающее в зоне перехода электрическое поле не начинает ей препятствовать, в результате чего перемещение и электронов, и дырок прекращается.

В выпускаемых промышленностью полупроводниковых приборах для использования p-n перехода к нему необходимо приложить внешнее напряжение. В зависимости от того, какими будет его полярность и величина, зависит поведение перехода и проходящий непосредственно через него электрической ток. Если к p-области подключается положительный полюс источника тока, а к n-области – полюс отрицательный, то имеет место прямое включение p-n перехода. Если же полярность изменить, то возникнет ситуация, называемая обратным включением p-n перехода.

Прямое включение

Когда осуществляется прямое включение p-n перехода, то под воздействием внешнего напряжения в нем создается поле. Его направление по отношению к направлению внутреннего диффузионного электрического поля противоположно. В результате этого происходит падение напряженности результирующего поля, а запирающий слой сужается.

Вследствие такого процесса в соседнюю область переходит немалое количество основных носителей заряда. Это означает, что из области p в область n результирующий электрический ток будет протекать дырками, а в обратном направлении – электронами.

Обратное включение

Когда осуществляется обратное включение p-n перехода, то в образовавшейся цепи сила тока оказывается существенно ниже, чем при прямом включении. Дело в том, что дырки из области n будут следовать в область p, а электроны – из области p в область n. Невысокая сила тока обуславливается тем обстоятельством, что в области p мало электронов, а в области n, соответственно, – дырок.

Таким образом, при обратном включении полупроводникового прибора в цепь, переход через контакт двух областей осуществляется с помощью неосновных носителей заряда, количество которых совсем невелико. Поэтому электрическое сопротивление оказывается достаточно большим, а проводимость – незначительной. Это означает, что возникает запирающий слой.

Электрический ток в полупроводниках — презентация онлайн

1. Электрический ток в полупроводниках

1. Полупроводники
2. Какие вещества относятся к полупроводникам?
3. Чистые полупроводники. Собственная
проводимость.
4. Полупроводники с примесями: донорная примесь.
5. Полупроводники с примесями: акцепторная
примесь.
6. Зависимость сопротивления полупроводника от
температуры.
7. Полупроводниковый диод.
8. Вольтамперная характеристика
полупроводникового диода.
9. Полупроводниковые приборы.

3. 1. Полупроводники.

1. У полупроводников с повышением
температуры увеличивается проводимость,
уменьшается электрическое сопротивление.

4. “Свободный”

2. Если энергия фотона Ꝺф больше, чем энергия
связи Ꝺg, световой квант способен выбить
связанный электрон с орбиты и превратить в
свободный электрон.
При образовании свободного электрона у
полупроводника появляется две возможности
проводить ток:
• Движение свободного электрона под действием
внешнего электрического поля.
• Направленное перемещение электронов с
соседних орбит на место освободившейся пустой
связи. (Этот механизм электропроводности
удобнее описывать как движение фиктивной
частицы, дырки, в направлении,
противоположном движении электронов).

6. “Дырка”

• Процесс перемещения положительного
электрического заряда, называемого дыркой.
• При помещении кристалла в электрическое поле
возникает упорядоченное движение дырок дырочный ток проводимости.
3.“Дырка”(пустотная связь)- вакантное электронное
состояние в кристаллической решетке, имеющее
избыточный положительный заряд.
“Дырка” может хаотически перемещаться между
атомами решетки.
“Дырка” имеет положительный заряд, в точности
равный по абсолютной величине заряду электрона.
“Дырка” и электрон могут существовать в переделах
10−10 до 10−2 с.
Когда свободный электрон занимает место на
свободной траектории межатомной связи, свободный
электрон и дырка одновременно исчезаю. Такой
процесс называют рекомбинацией.

9. Определение полупроводника.

• Полупроводниками назвали класс веществ, у
которых с повышением температуры
увеличивается проводимость, уменьшается
электрическое сопротивление. Этим
полупроводники принципиально отличаются от
металлов.
• В идеальном полупроводниковом кристалле
электрический ток создается движением равного
количества отрицательно заряженных
электронов и положительно заряженных дырок.
Проводимость в идеальных полупроводниках
называется собственной проводимостью.

10. 2. Какие вещества относятся к полупроводникам?

3А
3
4
5
6
7
4А
5А
6А

12. 3.Чистые полупроводники.

13. Чистые полупроводники

16. 4.Полупроводники с примесями: донорная примесь.

Электрический ток в полупроводниках
Собственная проводимость полупроводников явно недостаточна для технического
применения полупроводников.
Поэтому для увеличение проводимости в чистые
полупроводники внедряют примеси (легируют) , которые бывают донорные и акцепторные.
Донорная примесь(от negative –
отрицательный) — примесь имеющая на внешней
электронной оболочке больше электронов, чем у
данного полупроводника (n-типа).
Полупроводники n-типа – полупроводники,
имеющие донорные примеси, обладающие
большим числом электронов( по сравнению с
числом дырок).
Например – мышьяк(As): 5е на внешней
оболочке и 1е не занят в ковалентной связи. В
полупроводнике n-типа электроны являются
основными носителями зарядов, а «дырки» неосновными Nе > Nдыр.

18. 5.Полупроводники с примесями: акцепторная примесь.

19. Акцепторные примеси

Акцепторные примеси – примеси, которые имеют на внешней электронной оболочке
меньше электронов, чем у данного полупроводника (p-типа).
Полупроводник p-типа (от positiv – положительный)
–полупроводник, у которого дырочная проводимость
преобладает над электронной.
Например – индий(In): 3е на внешней оболочке и 1е не
хватает. Основными носителями в полупроводнике pтипа являются «дырки», а неосновными – электроны.
Nдыр. > Nе .

20. 6.Зависимость сопротивления полупроводника от температуры.

23. 7.Полупроводниковый диод.

24. Полупроводниковый диод

Полупроводниковый диод – это нелинейный
электронный прибор с двумя выводами. В
зависимости от внутренней структуры, типа,
количества и уровня легирования внутренних
элементов диода и вольт-амперной
характеристики свойства полупроводниковых
диодов бывают различными.

26. Обозначение

28. 8. Вольтамперная характеристика полупроводникового диода.

29. Вольт амперная характеристика полупроводникового диода

31. 9.Полупроводниковые приборы

• Стремительное развитие и
расширение областей применения
электронных устройств обусловлено
совершенствованием элементной
базы, основу которой
составляют полупроводниковые
приборы Полупроводниковые
материалы по своему удельному
сопротивлению (ρ=10-6 ÷ 1010 Ом•м)
занимают промежуточное место
между проводниками и
диэлектриками.
Основными материалами для
производства
полупроводниковых приборов
являются:
кремний (Si),
карбид кремния (SiС),
соединения галлия и индия.
• Для изготовления электронных приборов используют
твердые полупроводники, имеющие кристаллическое
строение.
• Полупроводниковыми приборами называются
приборы, действие которых основано на
использовании свойств полупроводниковых
материалов.

35. Полупроводниковые диоды

Это полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом
и двумя выводами, работа которого основана на
свойствах p-n — перехода.
Основным свойством p-n – перехода является
односторонняя проводимость – ток протекает
только в одну сторону. Условно-графическое
обозначение (УГО) диода имеет форму стрелки,
которая и указывает направление протекания тока
через прибор.
Конструктивно диод состоит из p-n-перехода,
заключенного в корпус (за исключением
микромодульных бескорпусных) и двух выводов: от pобласти – анод, от n-области – катод.
Т.е. диод – это полупроводниковый прибор,
пропускающий ток только в одном направлении –
от анода к катоду.
Зависимость тока через прибор от приложенного
напряжения называется вольт-амперной
характеристикой (ВАХ) прибора I=f(U).

36. Транзисторы

• Транзистор — это полупроводниковый
прибор, предназначенный для усиления,
генерирования и преобразования
электрических сигналов, а также
коммутации электрических цепей.
• Отличительной особенностью
транзистора является способность
усиливать напряжение и ток действующие на входе транзистора
напряжения и токи приводят к
появлению на его выходе напряжений и
токов значительно большей величины.
• Свое название транзистор получил от
сокращения двух английских слов tran(sfer)
(re)sistor — управляемый резистор.
Транзистор позволяет регулировать
ток в цепи от нуля до максимального
значения.
• Классификация транзисторов:
• — по принципу действия: полевые (униполярные), биполярные,
комбинированные.
• — по значению рассеиваемой мощности: малой, средней и большой.
• — по значению предельной частоты: низко-, средне-, высоко- и
сверхвысокочастотные.
• — по значению рабочего напряжения: низко- и высоковольтные.
• — по функциональному назначению: универсальные, усилительные,
ключевые и др.
• — по конструктивному исполнению: бескорпусные и в корпусном
исполнении, с жесткими и гибкими выводами.
• В зависимости от выполняемых функций транзисторы могут работать
в трех режимах:
• 1) Активный режим — используется для усиления электрических сигналов
в аналоговых устройствах. Сопротивление транзистора изменяется от
нуля до максимального значения — говорят транзистор
«приоткрывается» или «подзакрывается».
• 2) Режим насыщения — сопротивление транзистора стремится к нулю.
При этом транзистор эквивалентен замкнутому контакту реле.
• 3) Режим отсечки — транзистор закрыт и обладает высоким
сопротивлением, т.е. он эквивалентен разомкнутому контакту реле.
• Режимы насыщения и отсечки используются в цифровых, импульсных и
коммутационных схемах.

39. Индикатор

• Электрóнный индикáтор —
это электронное показывающее
устройство, предназначенное для
визуального контроля за событиями,
процессами и сигналами. Электронные
индикаторы устанавливается в
различное бытовое и промышленное
оборудование для информирования
человека об уровне или значении
различных параметров, например,
напряжения, тока, температуры,
заряде батареи и т. д. Часто
электронным индикатором ошибочно
называют механический индикатор с
электронной шкалой.

40. Спасибо за внимание.

1. Свойства полупроводников: Hitachi High-Tech GLOBAL

Название «полупроводник» широко известно, но что такое полупроводники?
Полупроводники обладают особыми электрическими свойствами. Вещество, которое проводит электричество, называется проводником, а вещество, которое не проводит электричество, называется изолятором. Полупроводники — это вещества со свойствами где-то между ними.
Электрические свойства можно определить по удельному сопротивлению.Такие проводники, как золото, серебро и медь, имеют низкое сопротивление и легко проводят электричество. Такие изоляторы, как резина, стекло и керамика, обладают высоким сопротивлением и через них плохо проходит электричество. Полупроводники имеют свойства где-то между этими двумя. Например, их удельное сопротивление может меняться в зависимости от температуры. При низкой температуре через них практически не проходит электричество. Но при повышении температуры через них легко проходит электричество.
Полупроводники, почти не содержащие примесей, почти не проводят электричество.Но когда к полупроводникам добавляют какие-то элементы, через них легко проходит электричество.
Полупроводники, состоящие из одного элемента, называются элементарными полупроводниками, включая знаменитый полупроводниковый материал кремний. С другой стороны, полупроводники, состоящие из двух или более соединений, называются составными полупроводниками и используются в полупроводниковых лазерах, светоизлучающих диодах и т. д.

Энергетический браслет

Атом состоит из ядра и электронов, вращающихся вокруг ядра.
Электроны не могут вращаться вокруг ядра на каком-либо расстоянии в атомном пространстве, окружающем ядро, но разрешены только определенные, очень специфические орбиты, и они существуют только на определенных дискретных уровнях. Эти энергии называются энергетическими уровнями. Большое количество атомов собирается, образуя кристалл, и взаимодействует в твердом материале, тогда энергетические уровни становятся настолько близко расположенными, что образуют полосы. Это энергетический диапазон.
Металлы, полупроводники и изоляторы отличаются друг от друга своей зонной структурой.Их полосовые структуры показаны на рисунке ниже.

В металлах зона проводимости и валентная зона располагаются очень близко друг к другу и могут даже перекрываться с энергией Ферми （Eｆ） где-то внутри. Это означает, что в металле всегда есть электроны, которые могут свободно двигаться и, следовательно, всегда могут переносить ток. Такие электроны известны как свободные электроны. Эти свободные электроны ответственны за ток, протекающий через металл.

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

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

Ширина запрещенной зоны для изоляторов велика, поэтому очень немногие электроны могут перепрыгнуть через нее. Следовательно, ток в изоляторах протекает с трудом.Разница между изоляторами и полупроводниками заключается в размере энергии запрещенной зоны. В изоляторе, где запрещенная зона очень велика, и в результате энергия, необходимая электрону для перехода в зону проводимости, практически достаточно велика. Изоляторы плохо проводят электричество. Это означает, что электропроводность изолятора очень плохая.

Полупроводниковый кристалл, используемый для ИС и т. д., представляет собой монокристалл кремния высокой чистоты 99,999999999%, но при фактическом создании схемы добавляются примеси для управления электрическими свойствами.В зависимости от добавленных примесей они становятся полупроводниками n-типа и p-типа.

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

С другой стороны, трехвалентный бор (В) и т.д.добавляется к полупроводнику р-типа. Это называется акцептор. Энергетический уровень акцептора близок к валентной зоне. Поскольку здесь нет электронов, здесь возбуждаются электроны в валентной зоне. В результате в валентной зоне образуются дырки, что способствует проводимости.

Название «полупроводник» широко известно, но что такое полупроводники?
Полупроводники обладают особыми электрическими свойствами. Вещество, которое проводит электричество, называется проводником, а вещество, которое не проводит электричество, называется изолятором.Полупроводники — это вещества со свойствами где-то между ними.
Электрические свойства можно определить по удельному сопротивлению. Такие проводники, как золото, серебро и медь, имеют низкое сопротивление и легко проводят электричество. Такие изоляторы, как резина, стекло и керамика, обладают высоким сопротивлением и через них плохо проходит электричество. Полупроводники имеют свойства где-то между этими двумя. Например, их удельное сопротивление может меняться в зависимости от температуры. При низкой температуре через них практически не проходит электричество.Но при повышении температуры через них легко проходит электричество.
Полупроводники, почти не содержащие примесей, почти не проводят электричество. Но когда к полупроводникам добавляют какие-то элементы, через них легко проходит электричество.
Полупроводники, состоящие из одного элемента, называются элементарными полупроводниками, включая знаменитый полупроводниковый материал кремний. С другой стороны, полупроводники, состоящие из двух или более соединений, называются составными полупроводниками и используются в полупроводниковых лазерах, светодиодах и т. д.

Энергетический браслет

Атом состоит из ядра и электронов, вращающихся вокруг ядра.
Электроны не могут вращаться вокруг ядра на каком-либо расстоянии в атомном пространстве, окружающем ядро, но разрешены только определенные, очень специфические орбиты, и они существуют только на определенных дискретных уровнях. Эти энергии называются энергетическими уровнями. Большое количество атомов собирается, образуя кристалл, и взаимодействует в твердом материале, тогда энергетические уровни становятся настолько близко расположенными, что образуют полосы.Это энергетический диапазон.
Металлы, полупроводники и изоляторы отличаются друг от друга своей зонной структурой. Их полосовые структуры показаны на рисунке ниже.

В металлах зона проводимости и валентная зона располагаются очень близко друг к другу и могут даже перекрываться с энергией Ферми （Eｆ） где-то внутри. Это означает, что в металле всегда есть электроны, которые могут свободно двигаться и, следовательно, всегда могут переносить ток. Такие электроны известны как свободные электроны.Эти свободные электроны ответственны за ток, протекающий через металл.

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

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

Ширина запрещенной зоны для изоляторов велика, поэтому очень немногие электроны могут перепрыгнуть через нее. Следовательно, ток в изоляторах протекает с трудом. Разница между изоляторами и полупроводниками заключается в размере энергии запрещенной зоны. В изоляторе, где запрещенная зона очень велика, и в результате энергия, необходимая электрону для перехода в зону проводимости, практически достаточно велика. Изоляторы плохо проводят электричество. Это означает, что электропроводность изолятора очень плохая.

Полупроводниковый кристалл, используемый для ИС и т. д., представляет собой монокристалл кремния высокой чистоты 99,999999999%, но при фактическом создании схемы добавляются примеси для управления электрическими свойствами. В зависимости от добавленных примесей они становятся полупроводниками n-типа и p-типа.

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

С другой стороны, трехвалентный бор (B) и т. д. добавляют в полупроводник р-типа. Это называется акцептор. Энергетический уровень акцептора близок к валентной зоне. Поскольку здесь нет электронов, здесь возбуждаются электроны в валентной зоне. В результате в валентной зоне образуются дырки, что способствует проводимости.

4. История полупроводников: Hitachi High-Tech GLOBAL

Историю рождения полупроводников можно проследить до изобретения выпрямителя (преобразователя переменного тока в постоянный) в 1874 году. Спустя десятилетия Бардин и Браттейн из Bell Laboratories в США изобрели транзистор с точечным контактом в 1947 году, а Шокли изобрел переходной транзистор в 1948 году. Это ознаменовало наступление эры транзисторов. В 1946 году Пенсильванский университет в США построил компьютер с использованием электронных ламп. Компьютер был настолько большим, что его вакуумные лампы занимали все здание, он потреблял огромное количество электроэнергии и выделял много тепла. Позже был разработан инновационный транзисторный калькулятор (компьютер), и с тех пор компьютеры выросли как на дрожжах.В 1956 году Нобелевская премия по физике была присуждена совместно Шокли, Бардину и Браттейну за их вклад в исследования полупроводников и разработку транзистора.
Полупроводниковая промышленность быстро развивалась после изобретения транзистора. В 1957 году он уже превысил масштаб в 100 миллионов долларов. В 1959 году Килби из Texas Instruments и Нойс из Fairchild Semiconductor в США изобрели биполярную интегральную схему (ИС). Это изобретение оказало большое влияние на историю полупроводников и ознаменовало начало эры интегральных схем.Имея небольшие размеры и малый вес, ИС нашла широкое применение в различных электроприборах.
В 1967 году компания Texas Instruments разработала электронный настольный калькулятор (калькулятор) с использованием ИС. В Японии производители электронной техники выпускали калькуляторы один за другим, и ожесточенные «войны калькуляторов» продолжались до конца 1970-х годов. Интеграция ИС продвинулась еще дальше, и была разработана крупномасштабная интегральная схема (БИС). Технологии продолжают развиваться. СБИС (от 100 тыс. до 10 млн электронных компонентов на микросхему) были разработаны в 1980-х годах, а ULSI (более 10 миллионов электронных компонентов на микросхему) — в 1990-х.В 2000-х годах системная БИС (многофункциональная БИС с множеством функций, интегрированных в один чип) была запущена в серийное производство. По мере того, как ИС продвигается к высокой производительности и множеству функций, область ее применения широко расширяется. Полупроводники теперь используются во всех уголках нашего общества и поддерживают повседневную жизнь.

Что такое полупроводники?

Что такое полупроводники?

Полупроводники – это материалы, проводимость которых находится между
проводники (обычно металлы) и непроводники или изоляторы
(как и большинство керамики).Полупроводники могут быть чистыми элементами, такими как кремний.
или германий, или такие соединения, как арсенид галлия или селенид кадмия. В
процесс, называемый легированием, небольшое количество примесей добавляется к чистому
полупроводники, вызывающие большие изменения проводимости материала.

Из-за своей роли в производстве электронных устройств полупроводники
важная часть нашей жизни. Представьте себе жизнь без электронных устройств.
Не было бы радио, телевизоров, компьютеров, видеоигр и бедных
медицинское диагностическое оборудование.Хотя многие электронные устройства могут быть изготовлены
с использованием технологии вакуумных ламп, разработки в области полупроводниковых технологий
за последние 50 лет электронные устройства стали меньше, быстрее и больше.
надежный. Подумайте на минуту обо всех своих встречах с электронными
устройства. Сколько из следующего вы видели или использовали за последнее время?
двадцать четыре часа? Каждый из них имеет важные компоненты, которые были изготовлены
с электронными материалами.

Достижения в области электроники могут продолжать улучшать нашу жизнь. Изучение электронных материалов может помочь вам понять и уметь
участие в областях связи, компьютеров, медицины, основных
наук и техники. Во всех этих областях широко используется электроника.

Следующая тема: Историческая хронология

Полупроводниковое содержимое

Домашняя страница MAST

О полупроводниках | ООО | Ассоциация полупроводниковой промышленности

Сильная полупроводниковая промышленность жизненно важна для экономической мощи Америки, национальной безопасности и глобальной конкурентоспособности.

Полупроводники являются базовой технологией практически для всех областей нашей экономики. Полупроводники были изобретены в Америке, и США по-прежнему лидируют в мире по передовым технологиям производства и дизайна.

В полупроводниковой промышленности непосредственно занято около 250 000 рабочих в Соединенных Штатах, и на каждое непосредственное рабочее место приходится 4,89 рабочих мест, поддерживаемых в других частях экономики США. Это эквивалентно более чем 1 миллиону дополнительных рабочих мест в результате процветающей полупроводниковой промышленности США.Еще более впечатляющим является то, что работа в полупроводниковой промышленности оплачивается в среднем в 2,5 раза больше, чем средняя заработная плата всех рабочих в США.

Полупроводники являются четвертым по величине экспортным товаром Америки после самолетов, очищенной нефти и автомобилей. Вопреки распространенному мнению, что большая часть высокотехнологичного производства была перенесена в Азию, передовое производство полупроводников остается сильным в США. Фактически, около половины производственной базы полупроводниковых компаний США находится в Соединенных Штатах.

Ключом к поддержанию прогресса, питающего нашу промышленность и экономику США, являются исследования. К сожалению, инвестиции США в НИОКР в процентах от ВВП за последние десятилетия сократились. Например, доля валовых внутренних расходов США на НИОКР, финансируемых государством, снизилась с 47,1 % в 1981 г. до 33,4 % в 2011 г. (Источник: ОЭСР). постоянными в США, но увеличились почти на 50 процентов в Южной Корее и почти на 90 процентов в Китае.(Источник: показатели S&E NSF за 2012 г.)

Компании-члены

SIA продолжают инвестировать и расширяться в США, строя новые и расширяя современные производственные мощности по всей стране. В целом американские полупроводниковые компании сохраняют за собой около 50 процентов доли мирового рынка на высококонкурентном рынке. (Источник: SIA/iSuppli/WSTS)

Процветающая полупроводниковая промышленность США означает сильную американскую экономику, высокооплачиваемые рабочие места и огромное влияние на всю страну.Проще говоря, полупроводники укрепляют нашу страну.

Что такое полупроводники? определение, виды, отрасли.

Тема, которую мы собираемся обсудить, — «полупроводник», простое, но важное и полезное вещество в области электроники.

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

Изоляторы, полупроводники и проводники — это три основных типа твердотельных материалов. (При низких температурах некоторые проводники, полупроводники и изоляторы могут стать сверхпроводниками.) Проводимости (и соответствующие удельные сопротивления = 1/σ), связанные с некоторыми основными материалами в каждой из трех групп, показаны на диаграмме, приведенной ниже.Изоляторы, такие как плавленый кварц и стекло, имеют низкую проводимость от 10 ^-18 до 10 ^-10 Сименс на сантиметр, тогда как проводники, такие как алюминий, имеют высокую проводимость от 10 ⁴ до 10 ⁶ Сименс на сантиметр. сантиметр. Электропроводность полупроводников находится где-то посередине между этими двумя крайностями и обычно зависит от температуры, света, магнитных полей и следовых количеств примесных атомов. Например, добавление около 10 атомов бора (известного как легирующая примесь) на миллион атомов кремния увеличит его электропроводность в тысячу раз (частично с учетом широкой изменчивости, показанной на рисунке).

Характеристики полупроводников

:

Полупроводники обладают способностью проводить электричество при оптимальных условиях. Это отличает его как превосходный материал для контролируемого проведения электричества. В отличие от проводников носители заряда в полупроводниках генерируются исключительно внешней энергией (тепловым возбуждением).

Он позволяет определенному количеству валентных электронов перескочить в зону проводимости и пересечь энергетическую щель, оставив такое же количество незанятых энергетических состояний, т.е.е. отверстия. Важность электронной и дырочной проводимости одинакова.

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

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

Удельное сопротивление полупроводников уменьшается с повышением температуры, потому что число носителей заряда быстро увеличивается, что приводит к частичному сдвигу удельного сопротивления.

Некоторые важные свойства:

Полупроводники обладают рядом важных свойств, в том числе:

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

Типы полупроводников:

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

1. Внутренний полупроводник.
2. Внешний полупроводник.

1. Собственный полупроводник:

Химически внутренняя форма полупроводникового материала создается очень чистой. В нем есть только одна форма признака.

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

Наиболее распространенными собственными полупроводниковыми элементами являются германий (Ge) и кремний (Si). Они имеют четыре электрона в своей валентной оболочке (четырехвалентной). При температуре абсолютного нуля они образуют ковалентную связь с атомом.Из-за столкновений несколько электронов становятся неограниченными и могут свободно проходить через решетку по мере повышения температуры, что приводит к отсутствию в своем первоначальном месте (дырке). Проводимость электричества в полупроводнике поддерживается этими свободными электронами и дырками. Количество отрицательных и положительных носителей заряда одинаково. Тепловая энергия будет ионизировать только несколько атомов в решетке, что приведет к снижению проводимости.

Существующие течения в собственных полупроводниках из-за движения свободных электронов и дырок.Полный ток представляет собой сумму термоиндуцированного электронного тока Ie и дырочного тока Ih.

Ie + Ih = полный ток (I)

2. Внешний полупроводник:

Это тип полупроводника, который не имеет внутренних свойств.

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

1. Полупроводник N-типа.
2. Полупроводник Р-типа.

Тип N:

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

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

Высвобождается пятый электрон легирующей примеси. В результате примесный атом отдает свободный электрон решетке для проводимости и называется «донар».

Тип P:

1. В основном из-за дыр.
2. Полностью нейтрален.
3. I = Ih и nh >> ne.
4. Дырки в большинстве, а электроны в меньшинстве.

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

Полупроводник

.

.

Серийный номер	Внутренний полупроводник	Внешний полупроводник
1.	в чистом виде называется собственным полупроводником	Полупроводник, легированный примесью, называется внешним полупроводником
2.	Здесь сменные подставки производятся только за счет термического перемешивания	Здесь сменные носители производятся из-за примесей, а также могут производиться из-за термического перемешивания
3.	Имеют низкую электропроводность	Обладают высокой электропроводностью
4.	Имеют низкую рабочую температуру	Имеют высокую рабочую температуру
5.	При 0K уровень Ферми точно лежит между зоной проводимости и валентной зоной	При 0K уровень Ферми находится точно ближе к зоне проводимости в полупроводнике n-типа и ближе к валентной зоне в полупроводнике p-типа
	Примеры: Si, Ge и т. д.	Примеры: Si и Ge, легированные Al, In, P, As и т. д.

Применение полупроводников:

1. Полупроводники используются в ряде приложений.
2. Давайте посмотрим, как полупроводники используются в повседневной жизни. Почти все электронные устройства содержат полупроводники. Наша жизнь была бы совсем другой, если бы их не было.
3. Их надежность, компактность, низкая стоимость и регулируемая проводимость являются преимуществами.

Применение полупроводников в повседневной жизни:

1. Полупроводниковые приборы используются для изготовления датчиков температуры.
2. Используются в 3D-принтерах.
3. Микрочипы и беспилотные автомобили используют его.
4. Калькуляторы, солнечные батареи, компьютеры и другие электронные устройства используют этот материал.
5. Полупроводники используются для производства транзисторов и полевых МОП-транзисторов, которые используются в качестве переключателей в электрических цепях.

Полупроводники для промышленного применения:

1. Физические и химические свойства полупроводников позволяют создавать из них технологические чудеса, такие как микрочипы, транзисторы, светодиоды и солнечные батареи.
2. Транзисторы и другие управляющие устройства, изготовленные из полупроводниковых материалов, создают микропроцессор, используемый для питания космических кораблей, поездов, роботов и других устройств.

Что такое полупроводники? — Блог Госэко

Полупроводники — это материалы, которые имеют проводимость между проводниками и изоляторами. Они не являются ни хорошими проводниками, ни хорошими изоляторами, как следует из их названия « semi » — проводники.

Полупроводниковые материалы представляют собой плотно упакованные кристаллические структуры.Атомы настолько плотно упакованы в кристаллической решетке, что в полупроводниковых материалах очень мало свободных электронов. Но эти электроны способны двигаться при определенных условиях.

Тип носителей в полупроводнике

Мы знаем, что переносчики — это сущности, которые перемещают заряд из одного места в другое в пределах материала. Отсюда возникают электрические токи. В повседневной жизни наиболее часто встречающимся типом носителя является электрон, который отвечает за перенос заряда в металлических проводах.Но в случае полупроводников есть два типа носителей. Один, конечно же, «Электроны», а второй — «Дыра». И электроны, и дырки одинаково важны в полупроводниках. Я предполагаю, что у вас уже есть представление о том, что такое электроны? и обсудим дыры, которые я добавил в этом контексте.

Что такое дыра?

Дырка — это просто отсутствие электрона. Хотя это не физическая частица в том же смысле, что и электрон. Дырка может переходить от атома к атому в полупроводниковом материале.Также считается, что он имеет положительный заряд, а дырки являются носителями положительного заряда.

Полупроводники могут быть чистыми элементами, такими как кремний или германий, или соединениями, такими как арсенид галлия или селенид кадмия. Эти материалы, такие как кремний (Si), германий (Ge) и арсенид галлия (GaAs), имеют электрические свойства где-то посередине или между свойствами «проводника» и «изолятора».

Типы полупроводников

Мы можем разделить полупроводники на два следующих типа:

• Внутренний полупроводник
• Внешний полупроводник

Рисунок : Типы полупроводников

Внутренний полупроводник: Полупроводник в чистом виде, известный как собственный полупроводник.В собственный полупроводник не добавляются примеси. В результате он обладает очень низким уровнем проводимости, имея очень мало носителей заряда, то есть дырок и электронов. Концентрация дырок и электронов в собственном полупроводнике одинакова.

Внешний полупроводник : Полупроводник, в котором примеси добавляются к собственному полупроводнику, чтобы сделать его более проводящим, известен как внешний полупроводник. В зависимости от типа добавленной примеси внешний полупроводник может быть классифицирован как полупроводник n-типа и полупроводник p-типа .

Хотите узнать о похожих темах? Вот несколько избранных блогов для вас! *список*

Что такое полупроводники — свойства полупроводников

Кремниевый ленточный детектор Источник: micronsemiconductor.co.uk и наличие легирующих примесей. Название полупроводник происходит от того факта, что эти материалы имеют электрическую проводимость между металлами, такими как медь, золото и т. д.и изолятор, такой как стекло. У них энергетическая щель менее 4 эВ (около 1 эВ). В физике твердого тела эта энергетическая щель или запрещенная зона представляет собой диапазон энергий между валентной зоной и зоной проводимости, где электронные состояния запрещены. В отличие от проводников электроны в полупроводниках должны получать энергию (например, от ионизирующего излучения), чтобы пересечь запрещенную зону и достичь зоны проводимости. Свойства полупроводников определяются энергетической щелью между валентной зоной и зоной проводимости. Чтобы понять, что такое полупроводник, мы должны определить эти термины.

Свойства полупроводников

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

• Валентная зона В физике твердого тела валентная зона и зона проводимости являются зонами, наиболее близкими к уровню Ферми и, таким образом, определяют электропроводность твердого тела.В электрических изоляторах и полупроводниках валентная зона представляет собой самый высокий диапазон энергий электронов, в котором электроны обычно присутствуют при температуре абсолютного нуля. Например, атом кремния имеет четырнадцать электронов. В основном состоянии они располагаются в электронной конфигурации [Ne]3s ² 3p ² . Из них четыре являются валентными электронами , занимающими 3s-орбиталь и две из 3p-орбиталей. Различие между валентной зоной и зоной проводимости в металлах не имеет смысла, потому что проводимость происходит в одной или нескольких частично заполненных зонах, которые приобретают свойства как валентной зоны, так и зоны проводимости.
• Лента проводимости . В физике твердого тела валентная зона и зона проводимости являются зонами, ближайшими к уровню Ферми, и, таким образом, определяют электропроводность твердого тела. В электрических изоляторах и полупроводниках зона проводимости представляет собой нижний диапазон вакантных электронных состояний . На графике электронной зонной структуры материала валентная зона расположена ниже уровня Ферми, а зона проводимости — выше него.В полупроводниках электроны могут попасть в зону проводимости при возбуждении , например, ионизирующим излучением (т. е. они должны получить энергию выше E _щели ). Например, алмаз представляет собой полупроводник с широкой запрещенной зоной (E _{ширина запрещенной зоны} = 5,47 эВ) с высоким потенциалом использования в качестве материала электронных устройств во многих устройствах. С другой стороны, германий имеет малую ширину запрещенной зоны (E _{ширина запрещенной зоны} = 0,67 эВ), что требует работы детектора при криогенных температурах.Различие между валентной зоной и зоной проводимости в металлах не имеет смысла, потому что проводимость происходит в одной или нескольких частично заполненных зонах, которые приобретают свойства как валентной зоны, так и зоны проводимости.
• Ширина запрещенной зоны . В физике твердого тела энергетическая щель или запрещенная зона представляет собой диапазон энергий между валентной зоной и зоной проводимости, где электронные состояния запрещены. В отличие от проводников электроны в полупроводнике должны получать энергию (т.г., от ионизирующего излучения), чтобы пересечь запрещенную зону и достичь зоны проводимости. Ширина запрещенной зоны , естественно, различна для разных материалов. Например, алмаз представляет собой полупроводник с широкой запрещенной зоной (E _{ширина запрещенной зоны} = 5,47 эВ) с высоким потенциалом использования в качестве материала электронных устройств во многих устройствах. С другой стороны, германий имеет малую ширину запрещенной зоны (E _{ширина запрещенной зоны} = 0,67 эВ), что требует работы детектора при криогенных температурах.
• Уровень Ферми .Термин «уровень Ферми» происходит из статистики Ферми-Дирака , которая описывает распределение частиц по энергетическим состояниям в системах, состоящих из фермионов (электронов), которые подчиняются принципу запрета Паули. Поскольку они не могут существовать в одинаковых энергетических состояниях, уровень Ферми — это термин, используемый для описания вершины набора электронных энергетических уровней при температуре абсолютного нуля. Уровень Ферми — это поверхность моря Ферми при абсолютном нуле, где ни у одного электрона не будет достаточно энергии, чтобы подняться над поверхностью.В металлах уровень Ферми лежит в гипотетической зоне проводимости, дающей свободные электроны проводимости. В полупроводниках положение уровня Ферми находится внутри запрещенной зоны, примерно в середине запрещенной зоны.
• Пара электрон-дырка . В полупроводнике свободных носителя заряда представляют собой электронов и электронных дырок (пары электрон-дырка). Электроны и дырки создаются возбуждением электрона из валентной зоны в зону проводимости.Электронная дыра (часто называемая просто дыркой) — это отсутствие электрона в положении, в котором он мог бы существовать в атоме или атомной решетке. Это один из двух типов носителей заряда, ответственных за создание электрического тока в полупроводниковых материалах. Поскольку в нормальном атоме или кристаллической решетке отрицательный заряд электронов уравновешивается положительным зарядом атомных ядер, отсутствие электрона оставляет чистый положительный заряд в месте расположения дырки. Положительно заряженные дырки могут перемещаться от атома к атому в полупроводниковых материалах по мере того, как электроны покидают свои позиции.Когда электрон встречается с дыркой, они рекомбинируют, и эти свободные носители эффективно исчезают. Рекомбинация означает, что электрон, который был возбужден из валентной зоны в зону проводимости, возвращается в пустое состояние в валентной зоне, известное как дырки.

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

Электронное возбуждение в полупроводниках

Энергия для возбуждения может быть получена различными способами.

Тепловое возбуждение

Электронно-дырочные пары также постоянно генерируются за счет тепловой энергии в отсутствие какого-либо внешнего источника энергии. Тепловое возбуждение не требует никакой другой формы пускового импульса. Это явление имеет место и при комнатной температуре. Это вызвано примесями, неравномерностью решетки структуры или легирующей примесью.Она сильно зависит от Е _щели (расстояние между валентной зоной и зоной проводимости), так что для меньшей Е _щели увеличивается количество термически возбужденных носителей заряда. Поскольку тепловое возбуждение приводит к шуму детектора, для некоторых типов полупроводников (например, германия) требуется активное охлаждение. Детекторы на основе кремния имеют достаточно низкий уровень шума даже при комнатной температуре. Это вызвано большой шириной запрещенной зоны кремния (Egap = 1,12 эВ), что позволяет нам работать с детектором при комнатной температуре, но для снижения шума предпочтительнее охлаждение.

Оптическое возбуждение

Обратите внимание, что энергия одного фотона видимого спектра сравнима с этими ширинами запрещенной зоны. Фотоны с длиной волны 700–400 нм имеют энергию 1,77 эВ 3,10 эВ. В результате видимый свет также может возбуждать электроны в зону проводимости. Собственно, это и есть принцип работы фотоэлектрических панелей, генерирующих электрический ток.

Возбуждение ионизирующим излучением

Электроны могут достигать зоны проводимости, когда они возбуждаются ионизирующим излучением (т.е., они должны получить энергию выше Egap). Как правило, тяжелые заряженные частицы переносят энергию в основном за счет:

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

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

Помимо этих взаимодействий, бета-частицы также теряют энергию в результате радиационного процесса, известного как тормозное излучение . Согласно классической теории, когда заряженная частица ускоряется или замедляется, она должна излучать энергию , а излучение торможения известно как тормозное излучение («тормозное излучение») .

Фотоны (гамма-лучи и рентгеновские лучи) могут ионизировать атомы напрямую (несмотря на то, что они электрически нейтральны) за счет фотоэлектрического эффекта и эффекта Комптона, но вторичная (косвенная) ионизация гораздо более значительна. Хотя известно большое количество возможных взаимодействий, есть три ключевых механизма взаимодействия с материей.

Во всех случаях частица ионизирующего излучения отдает часть своей энергии на своем пути. Частица, проходящая через детектор, ионизирует атомы полупроводника, создавая электронно-дырочных пары .Например, типичная толщина кремниевого детектора составляет около 300 мкм, поэтому количество электронно-дырочных пар, генерируемых минимальной ионизирующей частицей (MIP), проходящей перпендикулярно через детектор, составляет около 3,2 x 10 ⁴ . Эта величина незначительна по сравнению с общим числом свободных носителей в собственном полупроводнике на поверхности 1 см ² и той же толщины. Обратите внимание, что образец чистого германия при 20°C содержит около 1,26×10 ²¹ атомов, но также содержит 7.5 x 10 90 177 11 90 178 свободных электронов и 7,5 x 10 90 177 11 90 178 дырок постоянно генерируются тепловой энергией.