Общие сведения и классификация полупроводников

Полупроводники по удельному сопротивлению, которое при комнатной температуре лежит в пределах 10^-6-10⁹Ом·см. 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 присутствии ничтожного количества приме­сей их удельное сопротивление резко изменяется;

- полупроводники чувствительны к 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, фосфор, сера, сурьма, мышьяк, серое оло­во, йод.

Полупроводниками являются сложные соединения различных элементов, например:

- двойные (бинарные) соединения: CuCl, AgBr; Сu₂O, CuS; KSb, K₃Sb; ZnCl₂, CdCl₂; ZnO, ZnS, CdS; ZnSb, Mg₃Sb₂; Mg₂Sn, CaSi; GaS, In₂Fe₃ и др.

- тройные соединения: CuAIS₂, CuInS₂; CuSbS₂, CuAsS₂; CuFeS₂; ZnSiAs₂, ZnGeAs₂; PbSiSe₂;

- твердые растворы: GeSi, GaAs_{1- x} P _x; ln _x Al_{1- x} Sb 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 самой 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. На рис. 10.1, а показана плоская картина располо­жения атомов в собственном полупроводнике, например кремния.

Рис. 10.1. Плоское изображение полупроводника: а – собственного; б – электронного; в – дырочного.

Каждый атом на своей внешней оболочке содержит четыре электро­на. Каждый из этих четырех элект­ронов создает пару с электроном соседнего атома, образуя ковалентную связь. Ковалентная связь достаточно прочная, и для того, чтобы освободить электрон, требу­ется определенная энергия.

Если в полупроводник IV группы (кремний или германий) вве­сти элемент V группы таблицы Менделеева, например мышьяк, то атому примеси для завершения ковалентных связей с атомами основного вещества необходимо четыре валентных электрона (рис. 10.1, б). Пятый электрон атома примеси в ковалентной связи не участвует. Со своим атомом он связан силой кулоновского вза­имодействия. Энергия этой связи невелика – порядка сотых долей электрон-вольт. Так как при комнатной температуре тепловая энергия ≈ 0,03эВ, то очевидно, что при этой температуре будет происходить ионизация примесных атомов мышьяка вследствие от­рыва пятого валентного электрона, который 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, будет значительно больше количества электронов и дырок, образовавшихся в результате раз­рыва ковалентных связей. В силу этого преобладающую роль в про­водимости кристалла будут играть 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 теперь 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 (рис. 10.1, в). В не­заполненную связь около атома алюминия за счет тепловой энер­гии 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. В силу этого коли­чества дырок может быть значительно больше количества свободных электронов и проводимость кристалла будет дырочная.

В таком полупроводнике основными носителями заряда будут дырки, а неосновными – электроны.

Полупроводник с акцепторными примесями носит название ды­рочного полупроводника или р -типа.

С повышением температуры из-за увеличения тепловой энергии некоторые электроны разрывают ковалентную связь и появляются в зоне проводимости (рис. 10.2, а).В кристалле собственного полу­проводника каждому электрону в зоне проводимости соответствует одна дырка, оставленная им в валентной зоне. В этом случае сво­бодный электрон обладает энерги­ей, большей той, которую он имел в связанном состоянии, на величи­ну не менее энергии ширины запре­щенной зоны.

Рис. 10.2. Зонная диаграмма полупроводника: а – собственного; б – электронного; в – дырочного.

Так как при каждом акте воз­буждения в собственном полупро­воднике одновременно создаются два носителя заряда противопо­ложных знаков, то общее количе­ство носителей заряда будет в два раза больше числа электронов в зоне проводимости, т. е. n_i =p_i; n_i p_i= 2 n_i.

При приложении к кристаллу внешнего электрического поля свободные электроны будут пере­мещаться против поля (из-за от­рицательного заряда), а дырки – в направлении поля. Но электроны, хотя и движутся в проти­воположном направлении, создают обычный ток, совпадающий с внешним приложенным полем. Следовательно, электронный и ды­рочный токи текут в одном и том же направлении и поэтому скла­дываются.

Для большинства полупроводниковых приборов используются примесные полупроводники.

Полупроводник, имеющий примеси, называется примесным, а проводимость, созданная введенной примесью, носит название при­месной проводимости.

На энергетической диаграмме наличие примеси в решетке полу­проводника будет характеризоваться появлением локального уров­ня, лежащего в запрещенной зоне. Так как при ионизации атома мышьяка образуется свободный электрон и для его отрыва требует­ся значительно меньшая энергия, чем для разрыва ковалентных связей кремния, то энергетический уровень донорной примеси должен располагаться в запрещенной зоне на небольшой глубине под дном зоны проводимости (рис. 10.2, б).

На энергетической диаграмме, представленной на рис. 10.2, в,акцепторная примесь имеет энергетический уровень Е _а,располо­женный на небольшом расстоянии над потолком валентной зоны. При ионизации акцепторной примеси происходит переход электро­на из валентной зоны на уровень Е _а, а в валентной зоне появ­ляется дырка, которая и является свободным носителем заряда.

В полупроводниках могут одновременно содержаться как донорная, так и акцепторная примесь. Такие полупроводники назы­ваются компенсированными.

На энергетической диаграмме, представленной на рис. 10.2, в. акцепторная примесь имеет энергетический уровень Е _а,располо­женный на небольшом расстоянии над потолком валентной зоны. При ионизации акцепторной примеси происходит переход электро­на из валентной зоны на уровень Е _а, а в валентной зоне появ­ляется дырка, которая и является свободным носителем заряда.

В полупроводниках могут одновременно содержаться как донорная, так и акцепторная примесь. Такие полупроводники назы­ваются компенсированными.