Полупроводниковые материалы их свойства и применение: Свойства полупроводниковых материалов применение полупроводников

Свойства полупроводниковых материалов: применение полупроводников

Полупроводники это вещества, которые обладают промежуточными свойствами проводников и диэлектриков в отношении удельной проводимости. Сопротивление полупроводников характеризуется следующими особенностями:

• Сильная выраженная зависимость от количества и состава примесей в веществе;
• Повышение температуры вызывает уменьшение сопротивления.

Полупроводниковые элементы

Важно! При температуре, стремящейся к абсолютному нулю, все полупроводники становятся диэлектриками.

Механизм электрической проводимости

Проводимость таких материалов, как полупроводники, имеет иной характер, чем у обычных проводников. Главное условие возникновения тока в материалах – наличие достаточного количества свободных электронов. Кристаллическая структура полупроводниковых материалов характеризуется ковалентными химическими связями, когда каждый электрон ядра связан с двумя рядом стоящими атомами.

Электроны веществ участвуют в переносе заряда при получении некоторой энергии. Работа энергии для полупроводников имеет значение порядка единиц электрон-вольт (эВ). У проводников это значение меньше, у диэлектриков, соответственно, больше.

Дырка

Важная особенность рассматриваемых материалов – они могут обладать особым типом проводимости – дырочной. В электронной оболочке атома в момент отрыва и ухода электрона образуется свободное место, которое принято именовать дыркой. Соответственно, дырка имеет положительный заряд, направление движения противоположно потоку электронов.

Обратите внимание! Подвижность электронов выше, чем у дырок.

Электронная и дырочная проводимость

Энергетические зоны

Все вещества характеризуются энергетическими зонами электронов оболочки атома. Таких зон три:

• Зона проводимости;
• Запрещенная зона;
• Зона валентности.

Название запрещенной зоны говорит о том, что электрон находиться в ней не может. Поэтому для возникновения тока электрон должен переместиться в зону проводимости из стабильной валентной зоны. Чем шире запрещенная зона, тем свойства материала приближаются к диэлектрикам.

Энергетические зоны

Подвижность

При воздействии электрического поля в материалах начинается движение носителей заряда. В рассматриваемом случае это электроны и дырки. Зависимость между скоростью движения и величиной напряженности электрического поля при отсутствии влияния нагрева называется подвижностью. Рост числа взаимных столкновений является причиной того, что при увеличении концентрации подвижность падает.

Собственная плотность

Наличие запрещенной зоны не служит препятствием к образованию собственных носителей заряда. Плотность электронов и дырок определяется сложной зависимостью, которая показывает, что собственная плотность заряженных частиц растет при увеличении температуры.

Виды полупроводников

Множество веществ, к которым можно отнести полупроводники, классифицируется по величине и характеру проводимости.

По характеру проводимости

В силу того, используется чистое вещество либо, в которое внесены примеси, проводимость может иметь различный характер.

Собственная проводимость

В силу разных причин в чистых материалах могут появляться свободные электроны и дырки. В результате образуется собственная проводимость.

Важно! Собственная проводимость характеризуется равной концентрацией дырок и электронов.

Собственная проводимость германия

Примесная проводимость

Большая часть полупроводников, образованных четырехвалентными атомами, имеет собственную проводимость. При целенаправленном внесении примесей веществ третьей или пятой валентности получаются кристаллы, обладающие примесной проводимостью, в которых количество дырок и электронов прямо зависит от типа и количества примесных атомов на единицу объема чистого вещества.

По виду проводимости

Выше было рассмотрено, что в полупроводниках в процессе переноса заряда участвуют не только «традиционные» электроны, но и условные положительные заряды – дырки. Поэтому полупроводниковые материалы имеют два типа проводимости.

Электронные полупроводники (n-типа)

Присутствие в четырехвалентном веществе пятивалентной примеси приводит к тому, что пятый электрон примеси вынужден переместиться на более высокую орбиту, в результате чего на его освобождение требуется небольшое количество энергии.

Такие примесные полупроводники называют веществами n-типа, от слова «negative» – отрицательный. Примеси в данном случае называют донорными, так как они способствуют появлению в веществе свободных электронов.

Дырочные полупроводники (р-типа)

При добавлении трехвалентной примеси возникает противоположная ситуация, когда в кристаллической решетке четырехвалентного материала примесь забирает недостающий электрон, а в основном веществе образуется дырка. Такие примеси именуют акцепторными, а примесный полупроводник, соответственно, называется p-типа, поскольку «positive» – положительный.

Использование в радиотехнике

Каждый специалист, техник, обладающий познаниями в электронике, знает, что абсолютно вся современная электроника основана на применении полупроводниковых элементов. Любой аналоговый или цифровой (дискретный) прибор имеет в своей основе схемы, построенные с применением диодов и транзисторов.

Полупроводниковый диод

Одно из первых устройств, использующих свойства полупроводимости, – это полупроводниковый диод. Конструкция заключается в соединении пары полупроводников с разными типами проводимости.

В результате физических процессов движения электронов и дырок на границе веществ возникает электрическое поле, и образуется так называемый p-n переход.

P-n переход

P-n переход обладает свойством односторонней проводимости, то есть ток через диод возникает только при подключении p-области (анода) к полюсу источника напряжения, а n-области (катода) – к минусу.

Вольт-амперная характеристика диода

В обратной полярности ток также имеется, но его величина, по сравнению с прямым, намного меньше. Стабилитрон – вид диода, основная область его работы находится на обратной ветви характеристики. Параметр p-n перехода подобран таким образом, что в узкой области обратного тока напряжение на стабилитроне практически не меняется.

Первый диод – детектор, использовался еще в то время, когда теория полупроводников находилась в зачаточном состоянии.

Разнообразные диоды

Транзистор

Транзистор, или, как раннее его называли, триод, имеет две области из материала с одинаковой проводимостью и тонкую область полупроводника с другой. Принцип работы транзистора заключается в том, что малый ток в тонкой области, называемой базой, может управлять гораздо большим током через другие области, соответственно, коллектор и эмиттер.

В зависимости от схемы включения, транзистор может иметь различное назначение: как усилительный, генераторный и преобразовательный полупроводниковый элемент.

Применение полупроводников не ограничивается вышеперечисленными областями. Существуют изделия с тремя и более p-n переходами или вообще без них. Варистор – резистор с сопротивлением, зависящим от величины протекающего тока, тоже полупроводниковый элемент.

Виды транзисторов

Типы полупроводников в периодической системе элементов

В периодической таблице химэлементов полупроводники сосредоточены в периодах со 2-го по 6-й. Их делят на такие типы:

• Одноэлементные. Собственный полупроводник обычно принадлежит IV группе, реже используются элементы из других групп;
• Сложные – двух и более элементные.

Обратите внимание! Свойства полупроводниковых материалов характеризуются тем, что при увеличении номера группы ширина запрещенной зоны уменьшается.

Физические свойства и применение

Сильная зависимость собственной проводимости от значения температуры является основным физическим свойством полупроводников. Главным образом это выражается тем, что при температуре, близкой к абсолютному нулю, наблюдается полное отсутствие свободных носителей.

Некоторые вещества обладают оптическими свойствами. К примеру, простой чистый кремний используется в производстве солнечных батарей, сложные соединения, в особенности, арсенид галлия, применяются для изготовления светодиодов. Полупроводниковый лазер имеет малые габариты и высокие технические параметры, что позволило воплотить в жизнь оптоволоконные средства коммуникации.

Полупроводниковый лазер

Легирование

Характеристика полупроводника в сильной степени зависит от его чистоты. Выращивая в особых условиях сверхчистые монокристаллы вещества, необходимые свойства придают при помощи легирования (введения в состав донорных или акцепторных примесей).

Методы получения

Для выращивания монокристаллов высокой чистоты используют два метода:

• Метод Чохральского, при котором монокристалл выращивают из расплава вещества;
• Зонная плавка, когда очистка образца производится путем расплавления небольшого участка с постепенным продвижением зоны расплава подвижной индукционной катушкой.

Также физики используют методики химического и физического осаждения, которые позволяют создавать тонкие слои вещества вплоть до слоев в одну молекулу толщиной.

Зонная плавка

Оптика полупроводников

Многие полупроводники обладают оптическими свойствами, в частности, фотопроводимостью, то есть свойством изменения электрического сопротивления под воздействием электромагнитного излучения.

В оптоэлектронике наиболее часто используются такие материалы, которые поглощают излучение в том случае, когда ширина запрещенной зоны меньше энергии кванта. Основной материал оптоэлектроники – арсенид галлия.

Список полупроводников

Полупроводники примеры которых будут рассмотрены ниже, нашли самое широкое распространение. Группы обозначаются буквами с указанием валентности. Первый материал обозначается буквой «А», второй – буквой «В». Для упрощения буквенные символы иногда опускают, оставляя только валентное число. Далее приведен краткий перечень распространенных материалов.

Группа IV

• Германий;
• Кремний;
• Карбид кремния.

Группа III-V

Арсенид, фосфид, нитрид индия и галлия. Также сюда входит трехкомпонентный полупроводник арсенид галлия-индия.

Группа II-VI

Селенид, сульфид, теллурид цинка и кадмия.

Группа I-VII

Единственное вещество – хлорид мели.

Группа IV-VI

Сульфид, теллурид свинца и олова.

Группа V-VI

Висмута теллурид.

Группа II-V

• Фосфид цинка;
• Антимонид олова.

Другие

• Сульфид олова;
• Оксид меди;
• Железный оксид.

Органические полупроводники

Некоторые органические соединения также обладают полупроводниковыми свойствами:

• Органические красители;
• Ароматические соединения;
• Полимеры;
• Пигменты.

Магнитные полупроводники

Некоторые полупроводниковые материалы обладают свойствами ферромагнетиков, что позволяет создавать устройства с новыми областями применения.

Прошло то время, когда полупроводниковая техника была дорога и нетехнологична, по сравнению с электровакуумным оборудованием. В настоящее время вся электро,- и радиотехника базируется на монолитных полупроводниковых компонентах. Такие устройства имеют высокую надежность и стабильность параметров.

Видео

Типы полупроводников. Свойства, практическое применение.

Здравствуйте, дорогие друзья. В этой статье речь пойдет о полупроводниках. Мы рассмотрим типы полупроводников, их свойства и практическое применение.

Почему именно полупроводниковый диод, транзистор или тиристор? Потому, что основу этих радиокомпонентов составляют полупроводники – вещества, способные, как проводить электрический ток, так и препятствовать его прохождению.

По своим электрическим свойствам полупроводники занимают среднее место между проводниками и непроводниками электрического тока.

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 (Cd1-xMnxTe) 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 (La1-xSrx)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.

Типы полупроводников, 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.

  Типы полупроводников, ширина запрещенной зоны

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.

  Типы полупроводников, собственная проводимость

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.

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).

  Типы полупроводников, кремний 

• 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. Нитрид галлия — соединение 3-5 групп с широким энергетическим зазором, нашёл применение в полупроводниковых лазерах и светодиодах, работающих в голубой части спектра.

  Типы полупроводников, полупроводниковые материалы

• 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.

Типы полупроводников, 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.

  Типы полупроводников, слоистые кристаллы

MoS2, 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 (Ch3)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 Cd1-x­MnxTe. 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 Mn0,7Ca0,3O3, 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.

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.

Видео, типы полупроводников

Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!

[wysija_form id=»1″]

Полупроводниковые материалы и их свойства

    Сначала расплавляют узкую зону, совпадающую с левым концом стержня. Так как эта зона слева не контактирует с твердой фазой, то концентрация примеси в ней остается равной Со. Незначительное передвижение нагревателя в правую сторону приведет к кристаллизации металла слева от нагревателя и перемещению расплавленной зоны в правую сторону. В первой порции затвердевшего металла концентрация примеси составит С == Со, и, так как L увеличению концентрации примеси в лправом конце стержня. Многократное прохождение зоны вдоль стержня приводит к глубокой очистке металла и достижению особых свойств. Примером может служить очистка германия, используемого в качестве полупроводникового материала. Присутствие в этом металле ничтожных количеств меди, железа, никеля резко изменяет его проводимость и делает непригодным для применения в радиотехнических устройствах. Очистка зонной плавкой снижает содержание указанных элементов до концентрации, меньшей, чем одни атом примеси на I i атомов германия. [c.101]









    Терморезистор [1] — нелинейный полупроводниковый резистор, сопротивление которого сильно зависит от температуры. Терморезисторы выполняются из полупроводникового материала сложного состава с температурным коэффициентом до 6% на 1 К. Для работы в СВЧ-диапазоне применяют измерительные терморезцсторы (термисторы), позволяющие проводить измерения мощности от долей микроватта до нескольких милливатт. Параметры некоторых измерительных терморезисторов даны в табл. 4.3. Свойства терморезистора описывают две характеристики температурная к(Т)— зависимость сопротивления от температуры и вольт-амперная 11(1), Поскольку СВЧ-энергия в терморезисторе преобразуется в тепло- [c.121]

    Широко известна роль химии поверхности и адсорбции при поглощении отравляющих веществ и в гетерогенном катализе. С химией поверхности связана коррозия, приводящая к огромным потерям материалов и авариям и требующая создания устойчивых защитных покрытий. Химическое модифицирование поверхностей природных и искусственных материалов, наполнителей полимеров, формующих устройств для изделий из полимеров, строительных материалов, в частности полимерных, может придать этим поверхностям совершенно новые свойства. Например, химическая прививка к поверхности гидрофильного материала углеводородных групп делает эту поверхность устойчиво гидрофобной. Химия поверхности полупроводниковых материалов и изделий для микроэлектроники играет важную роль в современных электронных приборах. Химическое модифицирование поверхности используется и в этих случаях. [c.5]

    Основные показатели качества полупроводникового материала зависят от концентрации легирующих примесей в материале. Легирование осуществляется введением в расплав соответствующих, примесей, которые в процессе роста поступают в кристалл. Для получения материала с однородными свойствами необходимо, чтобы процесс поступления примесей в кристалл подчинялся определенным требованиям, реализация которых является важной задачей технологии полупроводниковых материалов. [c.70]

    За последние годы в нашей стране и за рубежом расширяются работы по созданию монокристаллов алмаза, родственных ему материалов (алмазоподобных углеродных пленок, поликристаллов и композитов) и изучению свойств этих материалов с целью использования в нетрадиционных для алмаза областях техники. К настоящему же времени по сути дела такие практически важные свойства алмаза, как стойкость к агрессивным средам, теплопроводность, а также возможность изготовления на его основе широкозонного полупроводникового материала, еще не нашли применения в технике. [c.449]

    Заданы тепловая нагрузка на термобатарею, т. е. холодо- или теплопроизводительность, температуры охлаждаемой и нагреваемой сред (объектов), термические сопротивления между спаями и окружающими средами и высота термоэлементов. Кроме того, известны физические свойства полупроводникового материала. Не- [c.70]

    Полупроводники. Полупроводник представляет собой твердый материал, обладающий промежуточными свойствами между металлическими характеризуются относительно большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, тогда как для металлов этот коэффициент положителен. По этому признаку различаются эти два типа проводников. Наиболее широкое применение находят такие полупроводниковые материалы, как селен, германий, кремний, а также различные окиси металлов и сульфиды. Если тонкую пластинку из полупроводникового материала поместить между металлическими электродами и измерить ее сопротивление при пропускании то ка в прямом и обратном направлениях, то окажется, что величина одного сопротивления на несколько порядков превышает величину другого. [c.294]

    На примере серого олова — одной из модификаций элемента № 50 — была выявлена связь между свойствами и химической природой полупроводникового материала. И это, видимо, единственное, за что серое олово можно помянуть добрым словом вреда оно принесло больше, чем пользы. Мы еще вернемся к этой разновидности элемента № 50 после рассказа о еще одной большой и важной группе соединений олова. [c.46]

    В этих выпрямителях специально обработанный слой полупроводникового материала помещают между двумя металлическими обкладками. В полупроводнике создается тонкий слой, обладающий запирающими свойствами, т. е. способный пропускать ток только в одном направлении. Поэтому при пропускании переменного тока через такую полупроводниковую систему получают пульсирующий постоянный ток. К полупроводниковым выпрямителям относятся широко распространенный купроксный выпрямитель, в котором в качестве полупроводникового материала применяется закись меди. [c.328]

    Изученные фотоэлектрические, оптические, электрические, люминесцентные свойства 10283 характеризуют монокристаллы полуторного сульфида индия как перспективный полупроводниковый материал с большой долей ионной составляющей связи. [c.232]

    Величина порогового напряжения 7ов зависит от свойств полупроводникового материала, на основе, которого выполнен диод величина сопротивления диода — от площади р—п-перехода, омического сопротивления базы и контактов. В качестве примера в табл. 2 приведены значения Оов и Яв для диодов типа ВК2-200. [c.32]

    Химические свойства. При термоэлектрическом преобразовании в зависимости от применяемого типа полупроводникового материала температура тепловой капсулы в современных ИИТ лежит в диапазоне от 300 до 1000° С. [c.489]

    Как известно [3], термоэлектрические свойства материала определяются величиной термоЭДС, электропроводности и теплопроводности. Так называемый фактор добротности полупроводникового материала, по которому оценивается эффективность данного материала для применения в термоэлектрических устройствах, определяется по формуле [c.249]

    Так как свойства вещества — механические, электрические, оптические, химические — определяются энергетическим состоянием валентных электронов, то в первую очередь нас интересует соответствующий участок энергетического спектра. Параметры последнего — значения ширины валентной, запрещенной зон, зоны проводимости и положение различных локализованных уровней — могут быть определены путем изучения оптических спектров, электропроводности и других свойств твердого вещества (см. гл. IX). Зная эти параметры, можно решать обратную задачу определять по ним неизвестные нам свойства вещества. Не случайно общепринятое деление твердых веществ на изоляторы, проводники, полуметаллы и металлы основывается на значениях ширины запрещенной зоны. Возьмем, например, ряд простых веществ алмаз, кремний, германий, олово, свинец. Каждое из этих вещёств по-своему замечательно и каждое используется как незаменимый материал, но в совершенно различных областях техники, а кремний и германии находят применение в полупроводниковой технике. Природа данных веществ изменяется скачками, как атомные номера соответствующих элементов. Скачками изменяется и ширина запрещенной зоны при переходе от одного аналога к другому. Для алмаза эта величина составляет 5,6 эВ. Это — изолятор, самое твердое из веществ. Для кремния она равна 1,21 эВ. Такой энергетический барьер уже много доступнее для валентных элек- тронов отсюда полупроводниковые свойства данного вещества. Ширина запрещенной зоны германия 0,78 эВ — он полупроводник с высокой подвижностью носителей тока — электронов и дырок. Наконец, серое олово по ширине запрещенной зоны, равной всего 0,08 эВ, занимает последнее место в данном ряду и относится скорее к металлам, чем к полупроводникам, а белое олово — настоящий металл. Так с изменением ширины запрещенной зоны закономерно изменяется природа твердого вещества. [c.105]

    Главными потребителями германия в настоящее время являются радиотехническая и электротехническая промышленность, где он используется как полупроводник. Основные преимущества германия перед другими полупроводниками заключаются, во-первых, в возможности сравнительно несложного получения его в виде полупроводникового материала с заданными свойствами (легкость химической и физической очистки от большинства примесей) и, во-вторых, в благоприятных электрофизических параметрах. Вследствие этого германий является одним из наиболее ценных материалов в современной полупроводниковой технике. [c.382]

    Полупроводником называют твердое вещество, промежуточное по свойствам между металлическими проводниками, с одной стороны, и непроводниками (изоляторами)—с другой. Он характеризуется относительно высоким отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, в то время как для металлов этот коэффициент положителен, что позволяет легко различать два типа проводников. В подавляющем большинстве случаев в качестве полупроводникового материала используется элементарный кремний. Германий используется вместо кремния только в особых случаях. [c.552]

    Пленки для интегральных микросхем наносят либо на пассивную подложку из фотоситалла или стекла, либо на активную подложку из полупроводникового материала. Это наиболее сложные случаи применения пленок, так как пленки используются в сложном сочетании между собой при обязательном требовании — обеспечить заданные физические свойства каждой пленки в довольно узких пределах допустимых отклонений. Пленки должны хорошо формироваться не только на поверхности подложки, но и друг на друге. Важно иметь возможность наносить пленки заданного рисунка с высокой точностью, при которой отклонения размеров часто не превышают нескольких десятков микрон. [c.38]

    Развитие этих отраслей промышленности, науки и народного хозяйства страны потребовало от аналитической химии новых совершенных методов анализа. Потребовались количественные определения содержания примесей на уровне 10 …10 % и ниже. Оказалось, например, что содержание так называемых запрещенных примесей (Сс1, РЬ и др.) в материалах ракетной техники должно быть не выше 10 %, содержание гафния в цирконии, используемом в качестве конструкционного материала в атомной технике, должно быть меньше 0,01%, а в материалах полупроводниковой техники примеси должны составлять не более 10 «%. Известно, что полупроводниковые свойства германия обнаружились только после того, как были получены образцы этого элемента высокой степени чистоты. Цирконий был вначале забракован в качестве конструкционного материала в атомной промышленности на том основании, что сам быстро становился радиоактивным, хотя по теоретическим расчетам этого не должно было быть. Позднее выяснилось, что радиоактивным становился не цирконий, а обычный спутник циркония — гафний. В настоящее время цирконий научились получать без примеси гафния, и он эффективно используется в атомной промышленности. [c.12]

    Все сказанное выше подчеркивает необходимость специальной очистки и обработки поверхности полупроводникового материала для обеспечения стабильности параметров микросхемы и длительного срока ее службы. Технические приемы очистки поверхности (травление, промывка в воде и в органических веществах — см, гл. I) не позволяют получить истинно чистую поверхность. Однако такая поверхность и нежелательна, так как она характеризуется ненасыщенными связями, имеет резко выраженную проводимость р-типа из-за акцепторных свойств атомов на поверхности полупроводника, поэтому будет иметь место шунтирующее действие низкоомного поверхностного слоя р-типа независимо от типа проводимости объема полупроводника. [c.180]

    Растворение основного полупроводникового материала, обладающего заданными электрофизическими свойствами, в некотором заданном объеме расплавленного металла или сплава с последующей его кристаллизацией при понижении температуры [c.304]

    Применение в энергетике. Бор (изотоп 5°В) интенсивно поглощает медленные нейтроны, поэтому используется для изготовления регулирующих стержней атомных реакторов и защитных устройств от нейтронного облучения. Кристаллический бор обладает полупроводниковыми свойствами и используется в полупроводниковой технике (его проводимость при нагревании до 600 С возрастает в 10 раз). Исключительной химической стойкостью, твердостью, жаростойкостью обладают многие соединения бора с металлами побочных подгрупп. Алюминий и его сплавы применяют в энергетике в качестве конструкционного и электротехнического материала. Галлий применяют в полупроводниковой технике, так как его соединения с мышьяком, сурьмой, висмутом, а также аналогичные соединения индия обладают полупроводниковыми свойствами. Галлий используют при изготовлении высокотемпературных термометров с кварцевыми капиллярами (измерение температуры до 1500° С). Галлий может быть использован как хороший теплоноситель в системах охлаждения ядерных реакторов, лазерных устройств. Индий обладает повышенной отражательной способностью и используется для изготовления рефлекторов и прожекторов. Способность таллия при температуре ниже 73 К становиться сверхпроводником делает его перспективным материалом в энергетике. Представляют практический интерес многие соединения этих металлов и соединения бора, например нитрид бора ВЫ—боразон, отличающийся исключительной твердостью и химической инертностью. [c.230]

    В обоих случаях процесс кристаллизации осуществляют, чтобы получить полупроводниковый материал с новыми электрофизическими свойствами. [c.305]

    Окисные катализаторы часто являются полупроводниками. При этом возникает иная проблема примесей. Отравление в этих случаях может быть связано с образованием новых состояний поверхности или заполнением существующих. Кроме того, часто предполагали, но никогда не удавалось продемонстрировать, что имеется тесная связь мея ду полупроводниковыми свойствами и каталитической активностью таких материалов, присутствие примесей в основе которых может быть важным, поскольку изменяет тип проводимости полупроводника хорошо известными способами. Однако ни в одном из экспериментов, проведенных на этих системах, не было показано, что изменение содержания примесей в основе влияет на каталитическую активность полупроводникового материала. [c.51]

    Кроме физико-химических свойств ректифицируемых продуктов существеняы также их экономическая доступность и возможность включения в общую технологическую схему получения данного металла или полупроводникового материала. Желательно также, чтобы продукты обладали минимальным коррозионным воздействием на аппаратуру,незначительной токсичностью и невоопламеняемостью. [c.64]

    Пайку чаще всего осуществляют соединениями, которые содержат элементы IV группы периодической системы Менделеева. Олово и свинец являются электрически активными примесями — акцепторами. С течением времени они диффундируют в термоэлектрический материал и ухудшают его свойства. Поэтому всегда встает задача уменьшения диффузии припоя в полупроводниковый материал ветви термоэлемента. Для этого между припоем и термоэлектрическим материалом располагают различные так называемые антидиффузионные прослойки (или покрыгия), которые препятствуют диффузии химических элементов из припоя или из материала шин в полупроводник. [c.86]

    В работе [97] получены значения коэффициента преломления тонкими слоями и спектральная характеристика фототока. Изучены смещение последней при повышении температуры и другие свойства GaTe, что позволило характеризовать его как интересный полупроводниковый материал, который всегда имеет проводимость р-тина с малой подвижностью дырок. [c.72]

    Тетрагональные кристаллы ХпгЗз, легированные различными донорными и акцепторными примесями, обладают исключительно высокими фотоэлектрическими свойствами [31. Авторы работ [39,40[изучали фотопроводимость, край полосы поглощения, коэффициент отражения и диэлектрическую постоянную, термо-э.д.с., люминесценцию, спектры возбуждения и испускания монокристаллов -InjSg ими были получены данные, характеризующие эти кристаллы как интересный полупроводниковый материал с большой долей ионной составляющей связи. [c.94]

    Эпитаксиальная технология позволяет наращивать монокристаллические слои кремния, практически любой толщины на монокристаллические подлонски того же либо другого полупроводникового, изолирующего или металлического материала. Как отмечалось в гл. V, условия, которые необходимо обеспечить для получения монокристаллических пленок с высоко совершенной структурой и с контролируемыми свойствами, пока не могут быть сформулированы в общем виде с учетом кристаллографических, кристаллохимических, химических и физических факторов. Поэтому разработка технологии каждого процесса и его применение по созданию новой системы подложка — эпитаксиальная пленка полупроводникового материала требуют кропотливых исследований. [c.428]

    В последние годы резко возрос интерес исследователей к двуокиси олова II—5]. Это обусловлено малой изученностью ее электрофизических свойств и возможностью использования 8пОг как полупроводникового материала при высоких температурах без защитной атмосферы. [c.299]

    Тонкие пленки, которые приобрели большое значение в новых приборах и схемах, получают из газовой фазы различными способами, включая напыление, выпаривание и химическое осаждение. Когда эпитаксиальные пленки полупроводников получают химическим осаждением из газовой фазы, требуется обычный контроль чистоты полупроводникового материала при содернх аниях примесей порядка 10 —10″ %. Пленки тантала [461, применяемые в качестве элементов сопротивлений или анодов для конденсаторов в интегрирующих схемах, обычно получают напылением при этом наблюдали изменения свойств пленок, когда малые количества активных газов, таких, как азот, метан или кислород, присутствовали в аргоне (в атмосфере которого проводили напыление), причем эти изменения обусловлены [c.51]

    Кристаллы SijN бесцветны, проявляют полупроводниковые свойства (Д = 3,9 эВ). Нитрид кремния используют в качестве химически стойкого и огнеупорного материала, в создании коррозионностойких и тугоплавких сплавов, в качестве высокотемпературного полупроводника. [c.420]

    Абсолютно чистое вещество можно представить себе только теоретически. В практике чистым называют вещество, содержащее примеси ниже онределеиного предела. Этот предел, как правило, составляет доли процента н менее. Интерес к чистым веществам обусловлен потребностями современной науки и техники в материалах с особыми механическими, электрическими, полупроводниковыми, оптическими и другими физико-химическими свойствами. Особенно возросли требования к чистоте технических материалов с развитием атомной энергетики, полупроводниковой электро- н радиотехники, лазерной техники. Например, минимальная примесь может вызвать остановку ядерного реактора. В полупроводниковых материалах ничтожные следы посторонних примесей меняют величину и тип проводимости, а в отдельных случаях вообще лишают материал его полупроводниковых свойств. Получить особо чистое вещество — чрезвычайно сложная и важная технологическая задача, решенная пока для немногих веществ. Проверить чистоту вещества можно по его химическому составу и по физическим свойствам. [c.78]

Полупроводниковые материалы | Электроматериаловедение | Архивы

Страница 55 из 59

РАЗДЕЛ ЧЕТВЕРТЫЙ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ГЛАВА XIV.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

§ 87. Электропроводность полупроводников

Электрический ток в полупроводниках обусловлен движением сравнительно небольшого количества электронов. Эта характерная особенность полупроводников объясняется тем, что валентные электроны атомов, из которых состоят полупроводники, связаны со своими атомами и не могут двигаться, т. е. не являются свободными. Отрыв их от атомов может произойти в результате нагревания полупроводников внешним источником тепла, а для некоторых полупроводников при их освещении, т. е. в результате действия лучистой энергии. Это увеличивает энергию электронов, в результате чего электроны переводятся в более высокое энергетическое состояние, которое позволяет им отрываться от атомов и перемещаться под действием приложенного напряжения. Чем выше температура полупроводника, тем более высокие энергетические состояния приобретают электроны и тем большее количество их способно участвовать в создании электрического тока.

Для многих полупроводников достаточно сравнительно невысокой температуры (например, комнатной), чтобы перевести некоторое количество электронов их атомов в зону проводимости, т. е. сделать их свободными. Непрерывное повышение температуры усиливает процесс такого перехода электронов и проводимость полупроводника при этом увеличивается. Итак, электропроводность в полупроводниках обусловливается электронами. Она называется электронной электропроводностью или электропроводностью п-типа . В данном случае электроны, создающие ток, принадлежат атомам самого полупроводника, а не атомам какой-либо примеси, поэтому такую электропроводность называют собственной.

У атома, электрон которого перешел в зону проводимости, образовался, таким образом, недостаток одного электрона. Такие атомы превращаются в положительные ионы, которые, однако, закреплены на месте и не в состоянии двигаться. Место отсутствующего электрона — дырку может занять электрон, покинувший свое место в соседнем атоме. В результате такого перехода электрона у второго атома появится недостаток в электроне. Подобный процесс может иметь место одновременно у многих атомов.

Рис. 154. Кристаллическая структура германия и кремния

Если приложить электрическое напряжение, перескок электронов с одних атомов на другие (соседние) примет характер направленного перемещения их в одну сторону, т. е. будет наблюдаться электронный ток. Одновременно с этим образующиеся положительно заряженные атомы будут возникать в направлении, противоположном движению электронов. Это будет похоже на движущиеся положительные заряды, т. е. на ток, создаваемый положительными электрическими зарядами, которые как бы движутся в направлении, противоположном движению электронов.

Отсутствие в атоме электрона в результате перехода его в зону проводимости получило название дырки (в атоме). Дырка рассматривается как положительно заряженная частица, величина заряда которой равна заряду электрона.

Электрический же ток, образующийся при движении дырок, называют дырочным током. Электропроводность, обусловленная этим дырочным током, называется дырочной электропроводностью или электропроводностью р-типа .

Итак, движение электронов (в одном направлении) и дырок (в противоположном направлении) создает собственную электропроводность, поскольку носители тока (электроны и дырки) принадлежат атомам самого полупроводника. С повышением температуры собственная электропроводность полупроводника возрастает. Понижение же температуры будет уменьшать собственную электропроводность полупроводника, так как будет уменьшаться число свободных электронов и дырок, переходящих в зону проводимости. Поэтому полупроводники при охлаждении приближаются к диэлектрикам по величине их электрического сопротивления.

Основные полупроводниковые материалы — германий и кремний — являются монокристаллическими ** веществами. Взаимное расположение атомов в их кубической структуре изображено на рис. 154, из которого видно, что восемь атомов занимают места узлов в вершинах куба. Они обозначены буквой у (узел). В центрах всех шести граней куба находится по одному атому; они обозначены буквой г (грань).

’Рис. 155. Плоская кристаллическая решетка германия

Таким образом, кристаллическая структура германия и кремния представляет собой гранецентрированный куб, который делится на восемь более малых кубов. Вверху слева обозначен пунктиром один из восьми таких кубов. В центрах четырех (из восьми) малых кубов, расположенных в шахматном порядке, находится еще по одному атому. Они обозначены буквой ц (центр малого куба). Каждый из перечисленных атомов связан с четырьмя своими ближайшими соседями. Это более наглядно видно на примере атомов, находящихся в центрах малых кубов. Каждый центральный атом ц связан с одним узловым атомом у и тремя атомами г, находящимися в центрах граней большого куба. Каждый из этих четырех атомов в свою очередь связан в отдельности с четырьмя своими ближайшими соседними атомами.

Рис. 154 представляет объемную картину кристаллической структуры германия, кремния и алмаза, однако для представления о движении электронов в кристалле удобнее пользоваться упрощенной картиной взаимного расположения атомов в виде плоской решетки.

На рис. 155 показана такая плоская кристаллическая решетка германия. Она будет такой же и для плоского изображения решетки кремния. Прямые линии, попарно соединяющие ближайшие атомы, представляют собой пространственные связи атомов. Рассмотрим связи атома А с его четырьмя’ соседними атомами Б, В, Г и Д. У каждого атома германия (как и у атома кремния) имеется по четыре внешних валентных электрона. У атома А они расположены на прямых линиях а. На таких же прямых линиях б, В, г и д располагаются валентные электроны соседних атомов Б, В, Г и Д. Таким образом, вокруг атома А располагаются четыре пары электронов. Эти электроны связывают атом А с атомами Б, В, Г и Д.

Рис. 155 представляет картину электронного взаимодействия атомов, устанавливающих прочную (ковалентную) связь их друг с другом. Каждый электрон, образующий связь с другим атомом, обладает энергией определенной величины. У некоторых из них эта энергия может оказаться достаточной для того, чтобы он перешел к другому атому (даже необязательно к соседнему). Если путем нагревания полупроводника или освещением его увеличить энергию связанного с атомом электрона, то этот электрон может передвигаться от атома к атому и перейти даже в зону проводимости, т. е. образовать электрический ток в полупроводнике.

На рис. 156, а в его верхней части представлены различные пути движения электронов, обладающих повышенной энергией, но когда к полупроводнику не приложено напряжение.

Предположим, что электрон атома III оставил свое место в атоме и оказался в положении г. В атоме III при этом образовалась дырка (вакантное место), которая может быть занята другим

Рис. 156. Схема движения электронов и дырок в чистом германии: а — при отсутствии электрического поля, б — при воздействии электрического поля

электроном с соседнего атома. Например, электрон атома / одновременно с электроном атома III покинул свое место а, затем обошел атом II с двух сторон и занял дырку в атоме III. В результате этого дырка в атоме III перестала существовать, но возникла новая дырка в атоме I. Такое заполнение электроном дырки в другом атоме и компенсация тем самым положительного заряда называется рекомбинацией*. Электрон же атома IV, покинув место д, приобрел направление движения вверх, т. е. отличное от направления движения электронов атомов I и III. Все это показывает, что в случае, когда к полупроводнику не приложено напряжение от внешнего источника, электроны хотя и перемещаются, но тока не создают, так как их движение в полупроводнике беспорядочное.

На рис. 156, б показана картина движения электронов в случае, когда к полупроводнику приложено напряжение от внешнего источника. Здесь под действием внешнего электрического поля Е электрон В, находившийся в положении 1, покинул свое место в атоме III и начал перемещаться в сторону положительного электрода. На его месте I образовалась дырка. В это же время из положения 2 атома II начал двигаться электрон б по направлению к тому же положительному электроду. На пути он встречает дырку 1 в атоме III и занимает ее. Теперь в положении 1 восстановилось прежнее состояние, т. е. произошла рекомбинация зарядов. Положительный же заряд (дырка) появился в положении 2. Аналогично движению электронов и дырок на участке 2—1 происходит движение электрона и дырки на участке 3—2. Здесь электрон а покинул свое место 3 в атоме I и занял дырку 2 в атоме II. Таким образом, можно представить себе, что один электрон прошел путь от места 3 через места 2 и 1 до положительного электрода, а один положительный заряд, т. е. дырка, прошел то же расстояние, но в обратном направлении, т. е. из положения 1 В 2, затем в 3 и к отрицательному электроду.

Рис. 157. Схема движения электронов и дырок в случае собственной электропроводности

На рис. 157 показано это направленное движение электронов и дырок в полупроводнике под действием приложенного напряжения. Здесь одновременно перемещаются навстречу друг другу семь электронов и столько же дырок. Собственная электропроводность полупроводника характеризуется равенством количества носителей отрицательных и положительных электрических зарядов. Следовательно, в случае собственной электропроводности количества электронов и дырок равны, но электронный ток больше дырочного , так как подвижность электронов больше подвижности дырок. В этом случае в полупроводнике общий ток равен сумме электронного и дырочного токов. Но в полупроводниковом материале можно, например, создать только электронную или только дырочную электропроводность. Это достигается внесением в тщательно очищенный полупроводниковый материал атомов той или иной примеси. У одних примесных атомов валентные электроны по своему энергетическому состоянию могут приближаться к электронам атомов данного полупроводника, находящихся в зоне проводимости. Такие электроны перейдут в зону проводимости при более низких температурах, чем это требуется в случае собственной электропроводности.

Атомы примеси, снабжающие полупроводник свободными электронами, называют донорными (доноры) .

Другие атомы, употребляемые в качестве примесей в полупроводниках, обладают способностью присоединять к себе электроны сверх тех, которые они имеют. Такие атомы будут брать электроны у атомов самого полупроводника, в результате чего в полупроводнике образуется недостаток электронов, т. е. дырки. Атомы примеси, создающие в полупроводнике дырки, получили название акцепторов **. Следовательно, смотря по тому, что вносится в качестве легирующей примеси в данный полупроводник, он может

иметь электронную или дырочную электропроводность, т. е. примесная электропроводность может быть n-типа или р-типа.

Таким образом, в основных чистых полупроводниковых материалах (например, в германии или кремнии) можно создать с помощью одних примесей электропроводность только электронную,

Рис. 158. Плоская кристаллическая решетка германия с примесью фосфора (донора)

с помощью других примесей— только дырочную. Примесные атомы, которые введены в кристалл основного полупроводникового материала, занимают в нем места атомов этого кристалла. Очевидно, чем больше будет примесных атомов, тем выше электропроводность таких полупроводников.

Рис. 159. Схема движения электронов и дырок в случае электронной электропроводности полупроводника с примесью донорных атомов

Создание с помощью примесей полупроводника с электропроводностью определенного типа и увеличение ее можно проследить на примере германия (Ge). На рис. 158 показана плоская картина расположения атомов германия, некоторые из которых заменены атомами фосфора (Р), который является донорной примесью. Атом фосфора имеет пять валентных электронов, а для соединения с ближайшими четырьмя атомами германия необходимо лишь четыре электрона. Поэтому пятый электрон атома фосфора/ не может образовать связь с атомами германия, а значит он легко переходит в свободное состояние и образует в полупроводнике электронный ток. Таким образом, каждый атом примеси — фосфора будет выделять в кристалл германия (или кремния) свободный электрон, чем больше таких атомов, тем больший электронный ток будет протекать в полупроводнике. Потеряв электроны, атомы фосфора становятся ионизированными, т. е. положительными ионами.

Если к полупроводнику с такими примесными атомами приложить электрическое напряжение от внешнего источника, то ток будет создаваться преимущественно электронами атомов фосфора и в полупроводнике будет наблюдаться электропроводность п-типа. Наряду с этим в таком полупроводнике в некотором количестве будет создаваться преимущественно электронами атомов фосфора и тем самым будут образовываться дырки. Однако электрический ток определяется преимущественно электронами примесных атомов фосфора. Это изображено на рис. 159 в виде схемы движения электронов и дырок в германии, легированном донорной примесью.

Как видно на рисунке, восемь (из десяти) электронос появились от восьми атомов фосфора, а два электрона и две дырки являются собственными носителями зарядов германия. Дырочный ток в этом случае во много раз меньше электронного, а общий ток равен сумме электронного и дырочного тока:
(46)

Рис. 160. Плоская кристаллическая решетка германия с примесной бора (акцептор)

Введем теперь в германий акцепторную примесь, например бор В (рис. 160). Так как у атома бора всегда три валентных электрона, то он может прочно связаться лишь с тремя ближайшими атомами германия. Для связи с четвертым атомом германия у атома бора нет электрона, который он, однако, может получить из ковалентной связи атомов германия. Так, электроны из связи атомов германия 1, 3 и 5 соответственно перешли в положение 2, 4 и 6 связи атомов германия и бора, оставив в положении 1, 3 и 5 дырки. Электроны, захваченные атомами бора, создавать электрический ток не могут, а образовавшиеся в связи атомов германия дырки послужат причиной перехода в них электронов из соседних атомов германия, где, в свою очередь, тоже появляются дырки. Таким образом, дырка будет проходить путь от одного атома германия к другому, от него к следующему и т. д. Под действием приложенного напряжения это движение дырок будет упорядочено, т. е. возникнет дырочный ток. Но кроме дырочного тока, обусловленного акцепторной примесью, в полупроводнике будет незначительная собственная электропроводность, т. е. возникнет какое- то количество собственных электронов и дырок.

Здесь имеет место соотношение /д</э, а общий ток  равен по-прежнему сумме токов

На рис. 161 показана схема движения дырок и электронов в германии, легированном акцепторной примесью — бором В. Здесь положительно заряженных частиц-дырок значительно больше, чем электронов. Следовательно, примеси, вводимые в полупроводниковые материалы, увеличивают их электропроводность по сравнению с электропроводностью без примесей. Это наглядно видно из следующих простых подсчетов увеличения электронов (или дырок) в результате внесения в чистый полупроводник небольшого количества примесей. В одном кубическом сантиметре германия без примесей имеется 10’3 свободных электронов, т. е. освободившихся при комнатной температуре от своих атомов. Всего же атомов германия в единице объема 1023.

Если же ввести в такой германий донорную примесь — мышьяк или фосфор так, чтобы один примесный атом приходился на 107 атомов германия, то в кубическом сантиметре германия атомов примесей будет 1023: 107 = 1016. Так как у каждого атома примеси имеется один лишний электрон, то в полупроводнике окажется  свободных электронов. Процентное содержание примесных атомов весьма невелико, а именно:

Рис. 161. Схема движения электронов и дырок в случае дырочной электропроводности полупроводника с примесью акцепторных атомов

что трудно даже аналитически установить, а содержание электронов стало больше в тысячу раз.

Поэтому в полупроводниках очень малое количество введенной примеси может сильно изменить их электрическое сопротивление.

§ 88. Основные характеристики и свойства полупроводниковых материалов

Каждый полупроводниковый материал, как это выяснено выше, обладает электронной и дырочной электропроводностями. Под действием приложенного электрического напряжения свободные электроны движутся от отрицательного к положительному полюсу источника тока, а дырки в направлении, противоположном движению электронов. Движение электронов и дырок в условиях действия на них электрического напряжения может быть охарактеризовано скоростями их при данной напряженности электрического поля Е в полупроводнике. Если значение скорости движения электрона V-, или дырки Va отнести к величине Е, то полученные величины будут характеризовать свойство электронов или дырок двигаться в данном полупроводнике. Эти величины получили название подвижности носителей тока. Они обозначаются греческой буквой х (каппа) с индексами «э» или «д», указывающими, к какому носителю заряда они относятся. Так, подвижность электронов будет выражаться

а подвижность дырки

Подвижность носителей тока указывает, какой путь проходит за одну секунду внутри полупроводника электрон или дырка при напряженности электрического поля, равной единице (Е=1 В/см). Величина подвижности электрона и дырки выражается в см2/сек-В.

Если обозначить количество электронов в одном кубическом сантиметре полупроводника буквой па, а дырок — яд, то проводимость у полупроводника

(48)

где е — заряд электрона, а следовательно, и дырки, равный 1,6Х 1СН9 к (кулон).

В случае собственной электропроводности полупроводника это выражение становится проще, та как в этом случае число свободных электронов равно числу дырок, т. е. п3=пл = п.

Тогда формула (48) приобретает вид

(49)

При движении под действием электрического поля электроны и дырки встречают различного рода препятствия, поэтому теряют часть энергии и рассеиваются, т. е. отклоняются от направления своего пути. Такие явления получили название рассеяния носителей тока.

Рассеяния создаются, в частности, различными примесями. Чем чище полупроводниковый материал, тем выше подвижность электронов и дырок. Повышение температуры обусловливает уменьшение подвижности, так как при этом усиливается тепловое движение атомов самого полупроводника и столкновения электронов с атомами учащаются. Однако с повышением температуры проводимость полупроводника все же увеличивается, так как увеличивается число носителей тока, потому что повышается концентрация электронов и дырок.

В чистых полупроводниках, не имеющих примесей, собственная электропроводность при невысоких температурах (комнатных) невелика. Поэтому в большинстве технических полупроводниковых материалов желаемую величину проводимости можно получить лишь введением в них определенных примесей (донорных или акцепторных).

Кроме подвижности, носители электрических зарядов определяются и другими характеристиками, из которых наиболее важные— время жизни носителей т и длина свободного пробега /. Время жизни — время существования электрона или дырки в свободном состоянии, а длина свободного пробега электрона есть расстояние, на котором электрон движется без столкновений с собственными атомами или с положительно ионизированными атомами примесей — дырками.

Рис. 162. Вольтамперная характер и с т и к а полупроводника

Рис. 163. Симметричная вольтамперная характеристика полупроводника

Если измерять ток в полупроводнике при разных величинах напряжения, то можно заметить, что прямой зависимости между током и напряжением здесь нет. Ток при повышении напряжения возрастает в полупроводнике значительно быстрее напряжения. Это хорошо видно на рис. 162, где представлена вольтамперная характеристика полупроводника.

Рис. 164. Несимметричная вольтамперная характеристика полупроводников

Если при перемене напряжения на обратное (—U) изменение направления тока в полупроводнике происходит по такому же закону, но в обратном направлении, то такой полупроводник имеет симметричную вольтамперную характеристику. Такая вольтамперная характеристика представлена на рис. 163.

Если взять два полупроводника, находящиеся в плотном контакте друг с другом, причем один обладает электропроводностью n-типа, а другой электропроводностью p-типа, то такая система двух полупроводников будет иметь несимметричную вольтамперную характеристику (рис. 164). Следовательно, при протекании тока в одном направлении эта система двух полупроводников будет обладать очень малым сопротивлением, а при протекании тока в обратном направлении она будет обладать очень большим сопротивлением. В этом случае в разных направлениях будет протекать ток различной величины. В такой системе, состоящей из двух полупроводников, различают прямой  быстровозрастающий ток и обратный ток, нарастание которого очень мало даже при очень большом обратном напряжении (—U). Последнее направление тока называется запирающим.

Системы, состоящие из двух полупроводников с электропроводностями различного типа, широко используются в полупроводниковых выпрямителях. Обладая несимметричной вольтамперной характеристикой, такая система двух полупроводников будет пропускать ток в течение одной полуволны переменного напряжения, а в течение другой полуволны — не будет пропускать тока.

Рис. 165. Зависимость удельной проводимости легированного полупроводника от температуры

Электрическое сопротивление полупроводников в большой степени зависит от температуры. При невысоких температурах полупроводника в нем будет наблюдаться примесная электропроводность. Она может быть либо электронной, либо дырочной в зависимости от валентности атомов примеси в полупроводнике. При нагревании же полупроводника в нем будет возникать еще собственная электропроводность, при которой количества собственных электронов и дырок равны. Поэтому при высоких температурах полупроводника в нем будет преобладающей собственная электропроводность.

График изменения величины удельной проводимости у полупроводника в зависимости от температуры представлен на рис. 165. Здесь на вертикальной оси отложены величины  на горизонтальной оси — величины, обратные абсолютной температуре, т. е. если температура повышается, то при отсчете ее надо идти по горизонтальной оси справа налево.

На рис. 165 видно, что с увеличением температуры удельная проводимость полупроводника вначале возрастает, а затем  немного уменьшаться и снова возрастает, начиная с Т2 и выше. Первое увеличение удельной проводимости объясняется увеличением количества заряженных частиц (электронов или дырок) благодаря активации атомов примесей (при нагревании полупроводника). Временное же падение у полупроводника в области высоких температур (начиная с Т1 до Т2) объясняется усилением колебательных движении атомов самого полупроводника. При этом электроны, встречаясь с интенсивно колеблющимися атомами полупроводника, рассеиваются, и их направленное движение затрудняется. В результате этого электрическое сопротивление q полупроводника возрастает, а проводимость у падает. При переходе же к более высоким температурам (от Т2 и выше) начинают возбуждаться электроны атомов самого полупроводника и одновременно возникают дырки. Наблюдаемое при этом резкое увеличение удельной проводимости полупроводникового материала есть результат увеличения количества собственных носителей— электронов и дырок.

Рис. 166. Зависимость электрического сопротивления и тока полупроводника от величины приложенного напряжения

Поскольку полупроводниковые материалы весьма чувствительны к повышению температуры, то этим свойством отдельных полупроводников пользуются для создания термосопротивлений, которые можно применять для изменения температур или стабилизации температуры в различных установках. Такие полупроводники можно использовать также для изготовления из них термоэлементов или термогенераторов, превращающих тепловую энергию в электрическую. Действительно, если один конец электронного полупроводника нагреть сильнее другого, то это вызовет перемещение электронов из горячего участка полупроводника (где их концентрация и энергия выше) в холодный. Тем самым в холодном участке создается преобладание отрицательных электрических зарядов и он зарядится отрицательно, а горячий участок, наоборот, зарядится положительно. На концах такого полупроводника появится разность потенциалов— термоэлектродвижущая сила. В полупроводниках с дырочной электропроводностью горячий участок зародится отрицательно, а холодный — положительно.

Эти явления усиливаются, когда два различных полупроводника, соответственно подобранные, находятся в контакте друг с другом. Если создать из таких различных полупроводников замкнутую цепь и пропускать через них электрический ток от внешнего источника, то участок спая полупроводников будет или нагреваться, или охлаждаться, в зависимости от природы полупроводников и направления электрического тока. Это явление используется для изготовления полупроводниковых холодильников, термисторов и других технических устройств.

Некоторые полупроводники резко повышают свою проводимость под действием световых излучений. Это вызывается тем, что световые излучения передают электронам определенные количества энергии, достаточные для того, чтобы освободить их из атома. Это свойство полупроводников называется фотопроводимостью. Если такие полупроводники подключить к внешнему источнику напряжения, то в темноте они будут иметь меньшую проводимость, а на свету или при специальном освещении — значительно большую. Это свойство используется в фотосопротивлениях (фоторезисторах), чувствительных не только к видимому участку спектра, но и к инфракрасным излучениям.

Кроме фотосопротивлений, на основе полупроводников разработаны фотоэлементы с запирающим споем или вентильные. Они под действием световых излучений приобретают собственный источник электродвижущей силы при освещении полупроводниковой пары параллельно или перпендикулярно плоскости барьера. В освещенном и неосвещенном участке возникает различная концентрация электронов и создается разность потенциалов. Вентильные фотоэлементы разработаны на основе кремния, германия, селена и других полупроводниковых материалов. На этом принципе работают фотоэлементы и преобразователи солнечной энергии в электрическую — солнечные батареи.

Электрическое сопротивление полупроводниковых материалов не является величиной постоянной (как в металлических проводниках), а зависит от величины прилагаемого к нему напряжения. Электрическое сопротивление полупроводников уменьшается с увеличением приложенного к ним напряжения, а ток усиливается. На рис. 166 показаны кривые зависимости сопротивления и тока в полупроводнике от приложенного к нему напряжения. На рисунке видно, что электрическое сопротивление с увеличением напряжения резко падает, а ток резко возрастает.

определение, свойства и классификация, сферы применения

Распространённость различных видов полупроводников (ПП) в природе велика, но не меньше материалов с уникальными свойствами создаётся посредством добавления одних химических элементов к другим. Новым веществам придаются дополнительные полезные качества, расширяющие сферу применения. Используются полупроводниковые материалы как в общестроительных отраслях, так и в электронной промышленности.

Определение и свойства

Полупроводниками считают вещества, которые обладают слабовыраженными свойствами электропроницаемости металлов и изоляторов одновременно, имеется зависимость движения тока от температуры, излучений и концентрации примесей. Группа полупроводников представляется большим количеством материалов, чем металлы и диэлектрики, вместе взятые. Имеющиеся свойства веществ уникальны:

1. Удельное электрическое сопротивление ПП с нагревом тела уменьшается, в отличие от металлов, где рост температуры вызывает увеличение противодействия. Вследствие этого токопроводимость растёт. При охлаждении до абсолютного нуля — минус 273 ºC, ПП обретают способность становиться изоляторами, диэлектриками.
2. Односторонняя проницаемость на контакте 2 полупроводников — это свойство послужило толчком к созданию выпрямительных приборов: тиристоров, диодов и транзисторов.
3. Возникновение электрической движущей силы в определённых условиях: при нагревании контактов полупроводников появляется термический ток, а освещение вызывает напряжение фотоэффекта. ПП преобразуют солнечную энергию в электроток, а металлический предмет такого свойства не имеет.
4. Увеличение проводимости достигается введением в чистую кристаллическую решётку ПП примеси — другого химического элемента. Такими веществами будут фосфор, бор и прочие добавки в кремний.

Благодаря специфическим свойствам, использование полупроводниковых материалов обширное: энергетическая микроэлектроника, промышленное изготовление машин, а некоторые виды ПП являются сырьём для строительных материалов. Существует несколько типов элементов, они имеют разное назначение и индивидуальные конструктивные особенности.

Виды и деление полупроводников

Наименований ПП много, и для удобства они классифицируются по различным признакам. Самое крупное размежевание видов полупроводников производят по составу:

1. Простые материалы: кристаллические химические элементы селен Se, кремний Si, германий Ge заняли собственную нишу использования и применяются самостоятельно, в отличие от других, которые чаще добавляют легирующими присадками для получения составных ПП. Это элементы сурьма Sb, углерод C, теллур Te, бор B, йод I, сера S.
2. Сложные полупроводниковые материалы — в них входят химические сочетания в количестве 2, 3 и более наименований. Состоящие из двух единиц ПП называют бинарными и выделяют компонент, металлические признаки которого проявляются слабее: сульфиды, если есть сера, теллуриды (Te), арсениды (As), карбиды ©, селениды (Se).
3. Оксиды металлов — вольфрама, кадмия, титана, меди, молибдена и иных. В эту группу входят композиции, сделанные на основе титаната бария, цинка и других соединений неживой природы с небольшими добавками.
4. Органические полупроводники — это красители или природные пигменты в виде порошков аморфных и кристаллических, плёнок.

По обладанию определёнными свойствами ПП разделяют на диоды, транзисторы и тиристоры. Первые включают 2 кристалла из полупроводников различной проницаемости. Исполнение делают точечным — из кремния и металлической иглы, и плоским — сплав германия и индия.

Транзисторы состоят из 3 ПП: 2 обладают равной способностью пропускать ток, а у третьего проводимость с противоположным значением. Элементы устройства называют базой, коллектором и эмиттером. Используются как усилители электрических сигналов.

Тиристоры — преобразователи движения тока. От транзисторов отличаются предназначением: изменить ток они не могут: их функция — переключать проводимость на высокую или низкую.

Применение универсальных материалов

Впервые ПП в электротехнике стали использовать для изготовления селеновых выпрямителей переменного тока. С тех пор прогресс шагнул далеко вперёд, и сегодня устройства с применением полупроводниковых материалов распространены повсюду. Вот некоторые из них:

• германиевые и кремниевые вентили в интегральных схемах радиоэлектронной промышленности — миниатюрные транзисторы, резисторы и диоды, высоковольтные выпрямители для ЛЭП постоянного тока;
• вариаторы — стабилизаторы различного напряжения и регуляторы скорости вращения высокочастотных электродвигателей;
• термисторы (терморезисторы) — они обладают высоким модулем температурного сопротивления и применяются в устройствах автоматики и радиоэлектроники;
• фотоэлементы и светодиоды на базе кремния и германия используют в солнечных батареях для преобразования природной энергии излучения в электрический ток, в том числе в условиях космоса;
• варисторы — нелинейные сопротивления, их применяют в качестве защиты от предельных значений напряжения, его стабилизации в телевизорах и дисплеях;
• органические полупроводники незаменимы в сложных физико-химических системах и биологических тканях: высокая стойкость к радиации позволяет использовать их в космическом пространстве, OLED-телевизорах, мониторах и дисплеях.

Электротехнические устройства — основное, но не единственное назначение полупроводниковых материалов. Кремний — содержание в земной коре 30%, поэтому применяется элемент и для прозаичных целей.

В металлургии Si используется для удаления из расплавов кислорода и придания композициям из железа и цветных металлов повышенной надёжности против коррозии, увеличения прочности. Избыточное количество кремния вызывает хрупкость.

Производство Si-органических соединений и силицидов, цементная, стекольная, керамическая и электротехническая промышленности также используют полупроводник. Всего насчитывается более 20 областей применения ПП, с их помощью решают вопросы выработки и передачи различных видов энергии, создания тепла и холода, осуществления других процессов.

Получение и свойства полупроводников

Способов получения чистых и примесных полупроводниковых материалов очень много: наиболее совершенный и широко применяемый способ очистки полупроводниковых материалов — способ «зонной плавки». При зонном плавлении слиток «грязного» полупроводника, полученный тем или иным способом, помещается в чистую графитовую лодочку, заключенную в кварцевую трубу; по этой трубе непрерывно проходит инертный газ, например аргон, который препятствует попаданию в трубу извне нежелательных примесей и воздуха. При помощи узкого кольцевого нагревателя добиваются плавления небольшой части слитка и медленно перемещают расплавленную зону вдоль него. На границе твердой и жидкой фаз большинство примесей диффундирует из твердой фазы в жидкую за счет большей растворимости в жидкой фазе и уносится расплавленной зоной к концу слитка. При повторении этого процесса несколько раз получается очень чистый слиток, у которого отламывается грязный конец. После зонной плавки слиток поступает в дальнейшую плавку, где в него вводят необходимые примеси в нужных количествах. Наиболее распространенный метод «вытягивания монокристаллов из расплава», именуемый методом Чохральского, заключается в следующем. При медленном вытягивании затравки (кусочек монокристалла данного полупроводника) из расплава, который также находится в инертном газе, расплавленный полупроводник постепенно выкристаллизовывается на ее поверхности, образуя при этом монокристалл. В процессе вытягивания кристалла из расплава для достижения однородности растущего кристалла и равномерного перемешивания введенных в расплав примесей часто дают затравке и тиглю с расплавом вращательное движение в разные стороны, причем устанавливается очень точный контроль температуры расплава. После того как монокристалл вытянут из расплава, ему дают постепенно остыть, затем проверяют его электрические параметры и пускают в производство,

Свойства полупроводников

Под действием внешних факторов, таких, как тепло, свет, электрическое и магнитное поля, проводимость полупроводников может резко изменяться. Выше было указано, как изменяется электропроводность полупроводников под действием тепла. Это свойство используется для создания полупроводниковых термосопротивлений (терморезисторов), которые очень чувствительны к изменению температуры и используются для измерения и стабилизации температуры с большой точностью.
Большинство полупроводниковых материалов изменяют свое сопротивление в зависимости от приложенного напряжения, т. е. имеют нелинейную вольт-амперную характеристику, и при определенных напряжениях могут становиться проводниками. Это свойство используется для создания нелинейных полупроводниковых сопротивлений — варисторов, а также вилитовых сопротивлений, которые используются в вентильных разрядниках.
Наличие градиента температуры в полупроводнике вьвдвает перемещение свободных зарядов из горячего участка полупроводников, где концентрация их и скорость движения больше, в холодный участок.
Если носителями тока являются электроны, то они переносят свой заряд в холодный участок, заряжая его отрицательным электричеством, тогда как горячий участок полупроводника, потерявший часть своих электронов, окажется заряженным положительно, что создает между горячим и холодным участками термо-э. д. с. В полупроводниках же с дырочной проводимостью горячий участок окажется заряженным отрицательно, а холодный — положительно. Этот эффект называется термоэлектричеством и используется для создания термоэлементов и термогенераторов, которые превращают тепловую энергию в электрическую.
В замкнутой цепи из двух различных полупроводников при прохождении тока один спай полупроводников будет нагреваться, а другой — охлаждаться. Один и тот же спай двух полупроводников при одном направлении тока нагревается, при другом — охлаждается. Это явление — явление Пельтье — используется для создания холодильников, термостатов и т. п.
Под влиянием света проводимость полупроводника также может резко изменяться. Это вызывается тем, что свет определенной длины волны сообщает электронам, находящимся в запрещенной зоне, энергию, достаточную, чтобы перевести электрон из валентной зоны, в зону проводимости (или с валентных уровней в зону проводимости) в зависимости от длины волны света; при этом образуется пара электрон — дырка. Свойство полупроводника изменять проводимость под действием света, или фотопроводимость, применяется для создания фоторезисторов, чувствительных не только к видимому участку спектра, но и к инфракрасным лучам.
При частичном освещении полупроводника между освещенным и неосвещенным участками возникает фото-э. д. с, причем разность потенциалов зависит от интенсивности освещения. Фото-э. д. с. используется для создания фотоэлементов без источников питания, а также солнечных батарей, которые превращают солнечную энергию непосредственно в электрическую.
Полупроводник при данной внешней температуре находится в состоянии термодинамического равновесия. В простейшем случае при воздействии света в кристалле образуются неравновесные пары элек трон — дырка (или неосновные носители тока). После прекращения действия света неравновесные пары электрон — дырка рекомбинируют. Среднее время, в течение которого в кристалле существует неравновесная пара, называется «временем жизни» неравновесных носителей. Величина эта очень чувствительна к структурным дефектам кристалла: чем выше время жизни, тем совершеннее кристалл. Эта величина определяется по скорости затухания во времени добавочной проводимости, созданной освещением кристалла:

где — начальная электрическая проводимость; — проводимость после прекращения освещения; t — время; — время жизни неосновных носителей тока.
Если поместить однородный прямоугольный образец полупроводника в магнитное поле, перпендикулярное направлению тока, протекающему по образцу, то на боковых гранях возникает поперечная разность потенциала, называемая э. д. с. Холла (рис. 5-25), равная:

где -холловская разность потенциалов; R -коэффициент Холла; I-ток через образец; В-магнитная индукция; d — толщина пластинки в направлении магнитного поля.
В общем виде коэффициент Холла определяется выражением

где b — отношение подвижностей.
В частных случаях для резко выраженных типов полупроводников коэффициент Холла равен:

Эффект Холла позволяет определять тип проводимости полупроводника (по знаку возникающей между точками А к В разности потенциалов) и концентрацию носителей. Кроме того, можно определять величину подвижности носителей тока. Для этой цели нужно знать величину электропроводности данного полупроводника. Для полупроводника резко выраженного типа подвижность равна:

Эффект Холла используется для измерения магнитной индукции постоянных и переменных полей, тока и мощности в электрических цепях, преобразования постоянного тока в переменный, модуляции сигналов переменного тока, детектирования и усиления сигналов, генерирования электрических колебаний и т. п.
Наиболее важной особенностью некоторых полупроводников является выпрямляющее свойство контакта между двумя полупроводниками, имеющими разнородную проводимость (электронную и дырочную), или полупроводника с металлом. Сущность этого явления сводится к тому, что на границе соприкосновения двух полупроводников (или на границе полупроводника с металлом) образуется тонкий слой, обладающий свойством пропускать электроны в одном направлении и препятствовать прохождению их в обратном направлении. Этот слой называют запирающим. Это свойство используется для изготовления полупроводниковых вентилей, фотоэлементов с запирающим слоем и фотодиодов. Более сложные сочетания между разнотипными полупроводниками дают возможность получить полупроводниковые триоды и тетроды для генерирования и усиления электрических колебаний.
Ряд полупроводников обладает специфическими свойствами, позволяющими использовать их для создания различных полупроводниковых приборов. К таким свойствам относятся пьезоэлектрический и тензорезистивный эффекты, ферромагнитные и люминесцентные свойства и др.

Рис. 5-25. Поперечное поле, обусловленное эффектом Холла (полупроводник n-типа).

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.

Бесплатная лекция: «15.3. Системы социального этикета» также доступна.

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.

Полупроводник

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

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

Полупроводниковые материалы

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

проводимости

Типичный диапазон проводимости для изоляторов, полупроводников и проводников.

Encyclopædia Britannica, Inc.

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

таблица Менделеева

Современная версия периодической таблицы элементов.

Encyclopædia Britannica, Inc.

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

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

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

Электронные свойства

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

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

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

Полупроводниковые материалы: их свойства, применение и последние достижения

• K.М. Гупта
• Нишу Гупта

Глава

Первый онлайн: 20 августа 2015

• 2
  Цитаты

• Бег 2,4 км
  Загрузки

Часть
Инженерные материалы
серия книг (ENG.MAT.)

Abstract

В этой предварительной главе, обсуждающей основы полупроводников, классифицируются электрические и электронные материалы.Раскрыто значение полупроводниковых материалов и их область применения. Проводники, полупроводники и диэлектрики отличаются друг от друга на основе ширины запрещенной зоны. Перечислены различные типы полупроводниковых материалов, их достоинства и характеристики. Описаны различные элементные формы, составные и легированные полупроводники. Кратко изложены основные полупроводниковые приборы и принципы их работы. Включены последние разработки в области полупроводниковых материалов; основные из них — новые и футуристические материалы спинтроники, ферромагнитные полупроводники, появляющиеся полупроводники с широкой запрещенной зоной, левые материалы, фотокаталитические полупроводники, полупроводники для интегральных схем и т. д.Краткое понимание различных тем дается с помощью решенных числовых и теоретических примеров. Вопросы для повторения, числовые задачи и вопросы объективного типа также даются с их ответами.

Ключевые слова

Область применения Энергетическая щель Различные типы Si, Ge, Se Составные полупроводники Полупроводниковые материалы спинтроники Ферромагнитные полупроводники Полупроводники с широкой запрещенной зоной Левосторонние материалы (LH) материалы Одинарные отрицательные LH материалы Двойные отрицательные LH материалы Марганцевые полупроводники Разбавленные магнитные полупроводники Si для ИС GaAs Фотокаталитические полупроводники Светодиодные пеньки в сверчке

Это предварительный просмотр содержания подписки,

войдите в

, чтобы проверить доступ.

Обзорные вопросы

Объективные вопросы

Открыть изображение в новом окне

Открыть изображение в новом окне

Ответы

Открыть изображение в новом окне

Ссылки

1. 1.

   Gupta, KM, Gupta, N .: Advanced Electrical and Electronics Materials, Scrivener Wiley Publishing, USA (2015)

   Google Scholar

2. 2.

   Lide, DR: Handbook of Chemistry and Physics (87 ed.), Boca Raton, FL: CRC Press, стр. .4–61, ISBN 0-8493-0594-2–

   http://en.wikipedia.org/wiki/Indium_arsenide

3. 3.

   http://www.channel4learning.com/sites/gcsease/engineering/image_engineered_assembly_pinthru_integrated .html

4. 4.

   Автор: Alen Dsouza в разделе «Технологии» «Новые светодиоды Zing зажгут турнир ICC World Twenty20» по

   http://geekstroke.com/technology/new-zing-led-bails-glows-up -icc-world-Twenty20-Tournament /

Информация об авторских правах

© Springer International Publishing Switzerland 2016

Авторы и аффилированные лица

1. 1.Департамент прикладной механики Национальный технологический институт Мотилала Неру, Аллахабад, Индия
2. 2. Кафедра электроники и техники связи, Национальный технологический институт им. Мотилала Неру, Аллахабад, Индия

Типы Группы Классификации »Электроника

— существует много различных типов полупроводниковых материалов, которые часто классифицируются по своим группам и другим, но все они имеют немного разные свойства.

Полупроводники Включает:
Что такое полупроводник
Полупроводниковые материалы
Дырки и электроны

Есть много различных типов полупроводниковых материалов.

Эти разные типы полупроводников имеют немного разные свойства и подходят для различных применений в различных формах полупроводниковых устройств.

Некоторые из них могут быть применимы для стандартных сигнальных приложений, другие для высокочастотных усилителей, в то время как другие типы могут быть применимы для силовых приложений и суровых условий окружающей среды или другие для светоизлучающих приложений. Во всех этих различных приложениях, как правило, используются разные типы полупроводниковых материалов.

Типы / классификация полупроводников

Существует две основные группы или классификации, которые можно использовать для определения различных типов полупроводников:

• Внутренний материал: Внутренний тип полупроводникового материала, имеющий очень высокую химическую чистоту. В результате он обладает очень низким уровнем проводимости с очень небольшим количеством носителей заряда, а именно дырок и электронов, которыми он обладает в равных количествах.
• Внешний материал: Типы полупроводников Extrinisc — это те, в которых небольшое количество примесей было добавлено к основному внутреннему материалу.В этом «легировании» используется элемент из другой группы периодической таблицы, и таким образом он будет иметь больше или меньше электронов в валентной зоне, чем сам полупроводник. Это создает либо избыток, либо недостаток электронов. Таким образом, доступны два типа полупроводников: Электроны являются носителями отрицательного заряда.
  • Тип N: Полупроводниковый материал N-типа имеет избыток электронов. Таким образом, свободные электроны доступны внутри решеток, и их общее движение в одном направлении под влиянием разности потенциалов приводит к протеканию электрического тока.В полупроводнике N-типа носителями заряда являются электроны.
  • P-тип: В полупроводниковом материале P-типа наблюдается нехватка электронов, то есть в кристаллической решетке есть «дырки». Электроны могут перемещаться из одной пустой позиции в другую, и в этом случае можно считать, что дырки движутся. Это может произойти под влиянием разности потенциалов, и видно, что отверстия текут в одном направлении, что приводит к протеканию электрического тока.На самом деле дыркам двигаться труднее, чем свободным электронам, и поэтому подвижность дырок меньше, чем подвижность свободных электронов. Дырки — это носители положительного заряда.

Группы полупроводниковых материалов

Наиболее часто используемые полупроводниковые материалы представляют собой кристаллические неорганические твердые вещества. Эти материалы часто классифицируются в соответствии с их положением или группой в периодической таблице. Эти группы определяются электронами на внешней орбите отдельных элементов.

Хотя большинство используемых полупроводниковых материалов являются неорганическими, все больше органических материалов исследуется и используется.

Перечень полупроводниковых материалов

Есть много различных типов полупроводниковых материалов, которые можно использовать в электронных устройствах. У каждого есть свои преимущества, недостатки и области, в которых его можно использовать для обеспечения оптимальной производительности.

Другие основные концепции электроники:
Напряжение
Текущий
Мощность
Сопротивление
Емкость
Индуктивность
Трансформеры
Децибел, дБ
Законы Кирхгофа
Q, добротность
РЧ шум

Вернуться в меню «Основные понятия электроники». . .

Полупроводниковые материалы: типы, свойства и процесс производства

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

Каталог

I Введение

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

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

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

Рис. 1. Тетраэдрические структуры ковалентной связи

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

II Основные типы полупроводниковых материалов

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

1. Элементные полупроводниковые материалы

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

2. Неорганические составные полупроводниковые материалы

Этот вид полупроводникового материала можно разделить на бинарную систему , тройную систему , , четверную систему , и так далее.

●

Бинарные составные полупроводниковые материалы

① Группы IV-IV: Сплавы SiC и Ge-Si имеют структуру сфалерита.

② Группа III-V: состоит из элементов группы III Al, Ga, In и элементов группы V P, As и Sb. Типичный представитель — GaAs. Все эти элементы имеют структуру сфалерита и уступают только Ge и Si в приложениях, которые имеют большие перспективы развития.

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

③ Группа II-VI: они представляют собой соединения, образованные элементами группы II Zn, Cd, Hg и группой VI. элементы S, Se, Te, которые являются важными оптоэлектронными материалами. ZnS, CdTe и HgTe имеют структуру сфалерита.

④ Группа I-VII: Соединения, образованные элементами группы I Cu, Ag, Au и элементами группы VII Cl, Br, I, среди которых CuBr и CuI имеют структуру сфалерита.

⑤ Группы V-VI: Соединения, образованные элементами группы V As, Sb, Bi и элементами VI S, Se, Te, такими как Bi2Te3, Bi2Se3, Bi2S3, As2Te3 и т. Д., Которые являются важными термоэлектрическими материалами.

⑥ Оксиды группы B и элементы переходной группы Cu, Zn, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni в четвертом цикле являются основными материалами термисторов.

⑦ Соединения некоторых редкоземельных элементов Sc, Y, Sm, Eu, Yb, Tm и V, элементы N, As или элементы VI группы S, Se, Te.

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

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

●

Полупроводниковые материалы с тройными соединениями

Группа ① : он состоит из атома группы II и атома группы IV для замены двух атомов группы III в группы III-V, такие как ZnSiP2, ZnGeP2, ZnGeAs2, CdGeAs2, CdSnSe2 и т.п.

Группа ② : один атом группы I и один атом группы III находятся вместо двух атомов группы II в группах II-VI, таких как CuGaSe2, AgInTe2, AgTlTe2, CuInSe2, CuAlS2 и т. Д.

Группа ③ : Он состоит из одного атома группы I и одного атома группы V вместо двух атомов группы III, таких как Cu3AsSe4, Ag3AsTe4, Cu3SbS4, Ag3SbSe4 и т.д. сложные конструкции.

3. Органические полупроводниковые материалы

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

III Свойства полупроводникового материала

1. Характеристические параметры

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

Характерные параметры обычно используемых полупроводниковых материалов:

●

Ширина запрещенной зоны

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

●

Удельное сопротивление и подвижность носителей

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

●

N время жизни в равновесном состоянии носителей

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

●

Плотность дислокаций

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

Рисунок 5. Crystal D efects

2. Требования к рабочим характеристикам

●

Требования к рабочим характеристикам транзисторов

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

●

Требования к характеристикам оптоэлектронных устройств

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

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

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

●

Требования к рабочим характеристикам термоэлектрических устройств

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

IV Технология материалов полупроводников

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

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

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

1. Очистка

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

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

Рис. 7. Традиционный химический способ очистки кремния.

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

2.

Тонкопленочный эпитаксиальный рост

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

Рис. 8. Процесс Чохральского Процесс Чохральского

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

Рис. 9. Схема системы измельчения с плавающей зоной

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

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

В Особенности индустрии полупроводниковых материалов

Индустрия полупроводниковых материалов имеет четыре характеристики:

1. Крупный промышленный масштаб

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

2.Подразделенные торговые структуры

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

Рис. 10. Кремниевые межфланцевые диски

3. Высокий технический порог

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

4. Низкие производственные затраты

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

Рекомендуемые Статьи :

Основные сведения об аттенюаторах

Введение в диммеры TRIAC и TRIAC

Полупроводниковые материалы и их применение

В этой статье мы обсудим обычно используемые полупроводниковые материалы и их применение.

Обычно используемые полупроводниковые материалы:

1. Германий :

Германий, материал, в котором впервые было обнаружено действие транзисторов, является одним из важнейших полупроводников.

Следующие пункты относятся к германию:

и. Это материал серого цвета с металлическим оттенком.

ii. Он хрупкий и по своим механическим свойствам похож на стекло.

iii. Он кристаллический в кубической решетке алмаза.

iv. Он имеет собственное удельное сопротивление 47 Ом · см, но может быть легирован сурьмой или мышьяком или давать удельное сопротивление n-типа 0,01 или менее Ом · см и бором, галлием или алюминием для получения удельного сопротивления p-типа 0,001 Ом · см или менее.

v. Валентная зона германия представляет интерес, так как она вырождается, так что существует два типа проводящего тока положительных дырок, а именно: «легкие» и «тяжелые» дырки, причем первые имеют 0,044, вторые 0,28, а масса свободного электрона.Третья вырожденная полоса «спин-орбитального расщепления» имеет второстепенное значение.

vi. Германий обычно получают в виде монокристалла высокой чистоты для использования в электронике путем вытягивания из расплава вертикально или горизонтально. Для получения собственного материала примеси в активных элементах должны быть в пределах 1 части / миллиард или меньше.

vii. Перемычки p-n типа выполнены из германия; легированные переходы содержат большее количество примесей, производятся при более низких температурах и изготавливаются непосредственно из металлов, которые образуют эвтектику с германием.Такие легированные переходы имеют тенденцию к резкому переходу и обычно связаны с явлениями рекристаллизации.

viii. Обычно активные примеси, такие как галлий, индий, мышьяк и сурьма, имеют тенденцию довольно медленно диффундировать в германии. Доноры диффундируют примерно на порядок быстрее, чем акцепторы.

ix. Германий примечателен не только количеством примесных элементов, с которыми он может быть использован для создания глубоких уровней примесной энергии, но и чувствительностью, которую он имеет к другим элементам (медь, литий, никель и золото), которые могут перемещаться в кристалле. на высоких оборотах при низкой температуре.

2. Кремний :

Кремний становится все более важным материалом для транзисторов, так что его свойства в настоящее время изучаются больше, чем свойства германия. Его более широкая запрещенная зона обеспечивает больший диапазон температур, чем у германия, но кремнию препятствуют более низкие подвижности носителей 1200 и 250 см ² / вольт-сек электронов и дырок соответственно по сравнению со значениями 3600 и 1700 для германия. Этот недостаток ограничивает применение кремния в высокочастотных транзисторах.

К кремнию относятся следующие точки:

и. Кремний несколько сложнее производить и очищать, чем германий, из-за его более высокой температуры плавления (1420 ° C).

ii. Свойства кремния особенно чувствительны к присутствию кислорода, который обычно присутствует на уровне от 10 ¹⁷ до 10 ¹⁸ атомов / см ³ , если не принять особые меры для его исключения.

iii. Кислород в кремнии имеет тенденцию вносить нестабильность, когда материал подвергается термообработке при высоких температурах.Механизм не совсем понятен, хотя вполне вероятно, что интересующий кислород действует как донор. Он также может быть объединен с другими примесными атомами с образованием нейтральных комплексов.

iv. Кремний является одним из наиболее чувствительных элементов к ядерному излучению, что связано с его низким атомным весом и высоким удельным сопротивлением материала, который обычно используется.

v. Объемные свойства кремния под действием излучения особенно чувствительны к присутствию кислорода, поскольку возникающие дефекты, по-видимому, легко соединяются с кислородом с образованием активных центров.

vi. Кремний во многом похож на германий по своей чувствительности к широкому спектру примесей.

vii. Кремний, подобный германию, также характеризуется количеством примесей, которые, помимо наличия глубоких уровней, довольно быстро перемещаются через решетку при температуре от умеренной до высокой. Среди них медь, железо, марганец, никель и кобальт.

3. Составные полупроводники :

Еще до того, как германий и кремний стали важными, сложные полупроводники вызывали большой интерес.Основы науки о полупроводниках были заложены на основе исследований оксида меди, сульфида цинка, карбида кремния и оксида цинка.

Некоторые из полупроводниковых соединений рассматриваются ниже:

и. Арсенид галлия :

Характеристики арсенида галлия очень близки к характеристикам германия. Это понятно, поскольку галлий является третьим соседом по столбцу, а мышьяк — соседом по пятому столбцу германия в периодической таблице.

По следующим свойствам арсенид галлия уступает кремнию и германию:

(a) Высокая температура плавления (1300 ° C) в сочетании с высоким давлением паров мышьяка при температуре от 1200 до 1300 ° C делает производство арсенида галлия электронной чистоты чрезвычайно трудным.

(b) Горизонтальные печи, использующие методы зонного рафинирования, оказались лучшими, но полученный материал все еще не может конкурировать с кремнием и германием по чистоте или структурному совершенству.

(c) Обычно получают удельное сопротивление от 1 до 10 Ом · см и подвижность от 5000 до 6000 см. ² / вольт-сек. Однако значения продолжительности жизни низкие.

Арсенид галлия оказался полезным для ряда очень важных устройств, включая некоторые разновидности переключающих и параметрических диодов, туннельные диоды, полупроводниковые лазеры и диоды с эффектом «пушки» на горячих электронах.

ii. Антимонид индия :

Это интересно, потому что у него самая высокая подвижность электронов при комнатной температуре (70 000 см ² / вольт-сек) из всех известных материалов.Из-за низкой температуры плавления. При температуре 525 ° C антимонид индия (InSb) намного проще приготовить в виде монокристалла, чем арсенид галлия (GaAs).

iii. Сульфид кадмия :

Сульфид кадмия (CdS) плавится только при высоком давлении, он много лет используется в коммерческих целях в качестве фотопроводника, а также как компонент электронно-лучевого фосфора.

Его можно приготовить в диапазоне удельного сопротивления от 10 до примерно 10 ¹² Ом · см, в зависимости от наличия дефектов и примесей.Получение CdS p-типа чрезвычайно сложно.

Применение полупроводниковых материалов :

1. Оксид меди и селен были первыми материалами, которые использовались в качестве выпрямителей.

2. Выпрямители из германия и кремния вошли в промышленное использование несколько позже, после оксида меди и селена. Выпрямители из германия нашли применение раньше кремниевых. Одна из причин этого заключается в том, что монокристаллы германия легче и проще производить, хотя этот процесс сопряжен со значительными технологическими трудностями.Германиевые и кремниевые полупроводники находят широкое применение как в высокочастотных, так и в промышленных частотных схемах, особенно в качестве неуправляемых выпрямителей (диодов) и управляемых выпрямителей (например, кремниевых выпрямителей (SCR)).

3. Резисторы нелинейные. Их еще называют варисторами. Это полупроводники, сопротивление которых характеризуется зависимостью от приложенного напряжения, из-за чего ток нелинейно растет с ростом напряжения. Они изготавливаются в основном из карбида кремния, полученного электрическим нагревом смеси кварцевого песка с углеродом до температуры около 2000 ° C.Это широко известно как синтетический (электрический) карборунд.

4. Термочувствительные резисторы. Их также называют термисторами. Они обладают высоким абсолютным отрицательным температурным сопротивлением. Они сделаны из оксидов некоторых металлов, таких как медь, марганец, кобальт, железо и цинк. Термисторы изготавливаются в виде диска, коротких стержней, бусинок и т. Д. Керамическими методами.

5. Фотоэлементы и фотоэлементы. Они изготовлены из материалов, обладающих высокой светочувствительностью.Это сульфиды, селениды и теллуриды. Иногда для этой цели также используются германий и кремний. В наши дни широко используются кремниевые фотоэлектрические элементы, чаще называемые солнечными элементами, которые служат для преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию для питания космических аппаратов и т. Д.

Фотоэлектрические элементы находят широкое применение в следующих областях:

(i) Системы автоматического управления.

(ii) Телевизионные каналы.

(iii) Оборудование для записи и воспроизведения звуковых фильмов.

Полупроводниковый материал — обзор

7.1 Введение

Органические полупроводниковые материалы используются в качестве электроактивных материалов для различных электронных устройств, например, транзисторов, светоизлучающих диодов, датчиков и фотоэлектрических элементов, благодаря их легкому весу, технологичности решения, настраиваемой оптике. и электронные свойства, и механическая деформируемость [1–3]. В частности, большие преимущества органических полупроводниковых материалов были известны благодаря превосходной податливости и прочности, что позволяет использовать их в гибкой электронике.Однако большинство органических полупроводниковых материалов с хорошими электрическими свойствами вряд ли сохранят механические свойства, желательные для гибкой электроники, потому что жесткие молекулярные структуры и высокая кристалличность, необходимые для хорошего переноса заряда, имеют тенденцию к охрупчиванию материалов [4]. Кроме того, разнообразные молекулярные структуры и условия обработки могут влиять на механическое поведение органических полупроводниковых материалов, что приводит к широкому диапазону механических свойств, которые часто неизвестны.Более того, органическая электроника состоит из различных тонкопленочных материалов и интерфейсов, которые обычно имеют гораздо более низкое сопротивление разрушению, чем у традиционных конструкционных материалов, которые используются в объемном виде. В результате катастрофическое разрушение органических полупроводников часто может быть вызвано механической нагрузкой, прикладываемой в условиях обработки и эксплуатации [5]. Следовательно, понимание и улучшение механических свойств органических полупроводниковых материалов имеет жизненно важное значение для обеспечения возможности применения в гибкой электронике и обеспечения долговременной надежности устройства.

В гибкой электронике составляющие слои подвергаются растягивающей деформации из-за изгиба или растяжения устройств, поэтому важно оценить механическое поведение органических полупроводниковых материалов при растяжении, учитывая их потенциальное использование в гибких приложениях. Свойства при растяжении могут включать модуль упругости, предел текучести, деформацию при разрыве, прочность и ударную вязкость, которые определяются по кривой зависимости напряжения от деформации, полученной при испытании на растяжение. В частности, модуль упругости и деформация при разрушении считаются наиболее важными и фундаментальными свойствами.Модуль упругости — это свойство материала, указывающее на сопротивление упругой деформации под действием приложенного напряжения, и обычно определяется начальным линейным наклоном кривой напряжение-деформация, полученным при испытании на растяжение. Как правило, материалы с более высоким модулем упругости имеют тенденцию быть более жесткими. Деформация при разрыве определяется точкой, в которой пленка полностью разрушается при испытании на растяжение, и напрямую связана с растяжимостью пленки при деформации растяжения. Таким образом, органические полупроводниковые материалы, демонстрирующие низкий модуль упругости (низкую жесткость) и высокую деформацию при разрушении (высокую пластичность), считаются более желательными, чтобы выдерживать деформацию растяжения гибкой электроники [6,7].Помимо свойств растяжения, энергия разрушения, которая рассматривается как макроскопическая работа, необходимая для разрыва связей и образования изломанных поверхностей, является еще одним важным механическим свойством, определяющим надежность устройства. Энергия разрушения количественно определяет адгезию или когезию составляющих слоев в органической электронике и может быть измерена в терминах критической скорости высвобождения энергии деформации ( G _c ). Поскольку органические полупроводниковые материалы обычно имеют низкие значения G _c , они подвержены расслоению на слабых границах раздела или когезионному растрескиванию внутри слабых слоев при воздействии напряжений в условиях обработки и эксплуатации [8].Поэтому необходимо тщательно понимать энергию разрушения органических полупроводниковых материалов и лежащие в основе механизмы разрушения, чтобы повысить долговременную надежность устройства.

Целью данной главы является предоставить общую справочную информацию и всесторонний обзор исследований механических свойств органических полупроводниковых материалов. Он начинается с знакомства с методами механических испытаний, которые широко используются для органических полупроводниковых материалов. Затем представлены сводные данные о характеристиках разрушения и растяжения для репрезентативных материалов.Наконец, влияние различных факторов (например, химической структуры, кристалличности, молекулярной массы, морфологии пленки и условий испытаний) на механические свойства обсуждается с предложенными механизмами разрушения.

1. Свойства полупроводников: Hitachi High-Tech GLOBAL

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

Энергетический диапазон

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Энергетический диапазон

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

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

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

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

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

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

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

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

.