Полупроводники по удельному сопротивлению (10–6…109 Ом·см при комнатной температуре) занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Полупроводники обладают рядом характерных только для них свойств, резко отличающихся от проводников:
– в большом интервале температур их удельное сопротивление уменьшается, т.е. они имеют отрицательный температурный коэффициент удельного сопротивления;
– при введении в полупроводник малого количества примесей их удельное сопротивление резко изменяется;
– полупроводники чувствительны к различного рода внешним воздействиям – свету, ядерному излучению, электрическому и магнитному полям, давлению и т.д.
Полупроводниковыми свойствами обладает целый ряд материалов – природных и синтетических, органических и неорганических, простых и сложных по химическому составу.
К простым полупроводникам относятся германий, кремний, селен, теллур, бор, углерод (в виде алмаза), фосфор, сера, сурьма, мышьяк, серое олово, йод.
|
|
Полупроводниками также являются сложные соединения различных элементов таблицы Д. И. Менделеева, соответствующие общим формулам:
двойные (бинарные) соединения: AIBVII; AIBVI; AIBV; AIIBVII; AIIBVI; AIIBVI; AIIBIV; AIIIBVI; AIIIBV; AIVBVI; AIVBIV; AVBVI; AVIBVI; AVIIBVI;
тройные соединения; твердые растворы и др.
К органическим полупроводникам относятся фталоцианин, актрацин, нафталин, коронел и др.
Собственные и примесные полупроводники. Как и в металлах, электрический ток в полупроводниках связан с дрейфом носителей заряда. Но если в металлах наличие свободных электронов обусловлено природой металлической связи, то появление носителей заряда в полупроводниках определяется рядом факторов, важнейшими из которых являются чистота материала и температура. В зависимости от степени чистоты полупроводники подразделяют на собственные и примесные.
Полупроводник, в котором в результате разрыва связей образуется равное количество свободных электронов и дырок, называется собственным.
Для большинства полупроводниковых приборов используются примесные полупроводники. Полупроводник, имеющий примеси, называется примесным, а проводимость, созданная введенной примесью, называется примесной проводимостью.
Если в полупроводник IV группы таблицы Менделеева ввести в качестве примеси мышьяк, то атому примеси для завершения ковалентных связей с атомами основного вещества необходимо четыре валентных электрона. Пятый электрон атома примеси в ковалентной связи не участвует. Он становится свободным.
Наряду с ионизацией примеси может происходить и ионизация атомов основного вещества. Но в области температур ниже той, при которой имеет место значительная собственная проводимость, число электронов, оторванных от примеси, значительно больше числа электронов и дырок, образовавшихся в результате разрыва ковалентных связей. Следовательно, преобладающее значение в проводимости кристалла имеют электроны, и поэтому они называются основными носителями заряда, а дырки – неосновными. Такой полупроводник называется электронным, или n -типа, а примесь, отдающая электроны, носит название донорной.
|
|
Если в полупроводник IV группы таблицы Менделеева ввести элемент III группы, например алюминий, то все три валентных электрона примесного атома будут участвовать в образовании ковалентных связей, одна из четырех связей с ближайшими атомами основного вещества окажется незавершенной. В незаполненную связь около атома алюминия может перейти электрон от соседнего атома основного вещества. При этом образуются отрицательный ион алюминия и свободная дырка, перемещающаяся по связям основного вещества и, следовательно, принимающая участие в проводимости кристалла.
Примесь, захватывающая электроны, называется акцепторной. Для образования свободной дырки за счет перехода электрона от атома основного вещества к атому примеси требуется значительно меньше энергии, чем для разрыва ковалентных связей кремния, Поэтому количество дырок может быть значительно больше количества свободных электронов и проводимость кристалла будет дырочной. В таком полупроводнике основными носителями заряда являются дырки, а неосновными – электроны.
Полупроводник с акцепторными примесями называется дырочным полупроводником или p -типа.
В полупроводниках могут одновременно содержаться донорная и акцепторная примеси. Такие полупроводники называются компенсированными.
К основным характеристикам полупроводниковых материалов относятся электрическое сопротивление, которое зависит от концентрации и подвижности носителей электрического тока, а также время жизни носителей электрического тока. Каждая из этих характеристик определяет свойства полупроводника и зависит от вида и количества примесей, а также наличия дефектов кристаллической структуры.
В полупроводнике одновременно с процессом возникновения «свободных» электронов и дырок идет обратный процесс рекомбинации: электроны из зоны проводимости вновь возвращаются в валентную зону, ликвидируя дырки. В результате концентрация носителей уменьшается. При данной температуре между этими двумя процессами устанавливается равновесие. Среднее время, в течение которого «живет» носитель до своей рекомбинации, называют временем жизни. Расстояние, которое успеет пройти за это время носитель, называют диффузионной длиной.