Напівпровідникові матеріали. Класифікація напівпровідникових матеріалів

До напівпровідників належить велика група речовин з електронною електро-провідністю, що за своєю питомою провідністю займає проміжне місце між провідниками й діелектриками. При кімнатній температурі питомий опір на-півпровідникових матеріалів перебуває в межах 10-6– 109 Ом*см. Відмінною рисою напівпровідників є їхня здатність змінювати свої властивості під впливом зовнішніх факторів (температури, електричних і магнітних полів і т.д.). Крім того, властивості напівпровідників істотно залежать від різного роду домішок, що існують в речовині. При нагріванні напівпровідників у до-сить широкому діапазоні температур спостерігається зменшення опору, тоб-то ці речовини на відміну від металів мають негативний температурний кое-фіцієнт опору.

Електричний струм у напівпровідниках, як і в металах, обумовлений дрей-фом носіїв заряду. Однак на відміну від металів поява носіїв зарядів у напів-провідниках залежить від ряду зовнішніх факторів, у першу чергу від темпе-ратури й хімічної чистоти матеріалу. Залежно від ступеня чистоти напівпро-відники розділяють на власні й домішкові.

Власний – це такий напівпровідник, в якому при даній температурі можна знехтувати впливом домішок. Відповідно до зонної теорії напівпровідник при температурі абсолютного нуля можна розглядати як ідеальний діелектрик, у якого валентна зона повністю заповнена, а зона провідності вільна. Процес електропровідності повністю відсутній у зв'язку з наявністю заборо-неної зони. При підвищенні температури зростає ймовірність того, що деякі електрони зможуть подолати потенційний бар'єр і перейти в зону провіднос-ті. Кожний перехід електрона в зону провідності супроводжується утворен-ням дірки у валентній зоні. Наявність дірок у валентній зоні дозволяє елект-ронам брати участь у процесі електропровідності в результаті переходів на більш високі енергетичні рівні. Такі переходи можна подати як рух дірок, що мають позитивний заряд і деяку ефективну масу. Одночасно з генерацією в напівпровіднику протікає процес рекомбінації, тобто повернення електрона у валентну зону й зникнення пари носіїв заряду. У результаті цих процесів у напівпровіднику встановлюється рівноважна концентрація електронів no і дірок ро при будь-якій температурі. У власних напівпровідниках рівноважні концентрації електронів ni і дірок pi рівні між собою:

Домішковим називають напівпровідник, електрофізичні властивості якого визначаються в основному домішками. Як правило, домішки створюють до-даткові рівні в забороненій зоні.

Коли домішкові атоми перебувають у вузлах кристалічних решіток, вони на-зиваються домішками заміщення, а якщо в міжвузловому просторі - доміш-ками впровадження.

Домішки можуть поставляти електрони в зону провідності напівпровідника або приймати їх з рівнів валентної зони. Коли домішкові рівні розташовані в забороненій зоні поблизу нижнього краю зони провідності, то під впливом зовнішніх факторів електрони з домішкових рівнів можуть переходити у ві-льну зону й брати участь у процесі електропровідності. При цьому витрача-ється значно менше енергії, ніж необхідно для іонізації власних атомів напів-провідника.

Домішки, які поставляють електрони в зону провідності напівпровідника, на-зиваються донорами. У таких матеріалах концентрація електронів перевищує концентрацію дірок, тому вони називаються напівпровідниками n-типу.

У ряді випадків введення домішок створює незаповнені рівні в забороненій зоні поблизу верхньої межі валентної зони. Електрони можуть із валентної зони під дією теплової енергії перейти на вільні домішкові рівні, але участі в процесі електропровідності вони не беруть у зв'язку з роз'єднаністю атомів домішок. Концентрація дірок у таких напівпровідниках вище концентрації електронів, тому вони називаються напівпровідниками р-типу. Домішки, які захоплюють електрони з валентної зони, одержали назву акцепторів.

У напівпровідниках можуть одночасно перебувати як донорна, так і акцепто-рна домішки. Такі напівпровідники називають компенсованими.

8. Зонна структура

Напівпровідники мають повністю заповнену валентну зону, відділену від зони провідності неширокою забороненою зоною. Ширина забороненої зони напівпровідників зазвичай менша за 3 еВ. Неширока заборонена зона призводить до того, що при підвищенні температури ймовірність збудження електрона у зону провідності зростає за експоненційним законом. Саме цим фактом зумовлене збільшення електропровідності власних напівпровідників.

Ще більше на електропровідність напівпровідників впливають домішки — донори й акцептори. Завдяки доволі великій діелектричній проникності домішкові рівні в забороненій зоні розташовані дуже близько до зони провідності чи до валентної зони (< 0.5 еВ), й легко іонізуються, віддаючи електрони в зону провідності чи забираючи їх із валентної зони. Леговані напівпровідники мають значну електропровідність.

Невелика ширина забороненої зони також сприяє фотопровідності напівпровідників.

В залежності від концентрації домішок напівпровідники діляться на власні (без домішок), n-типу (донори), p-типу (акцептори) і компенсовані (концентрація донорів урівноважує концентрацію акцепторів, й напівпровідник веде себе, як власний). При дуже високій концентрації домішок напівпровідник стає виродженим і веде себе, як метал.

У напівпровідникових приладах використовуються унікальні властивості контакту областей напівпровідника, одна з яких належить до n-типу, інша до p-типу — так званих p-n переходів. p-п переходи проводять струм лише в одному напрямку. Схожі властивості мають також контакти між напівпровідниками й металами — контакти Шоткі.

Зо́на прові́дності — у зонній теорії кристалів найнижча незаповнена електронами зона у випадку, коли фізична система перебуває в основному стані.Характеристиками зони провідності є точки у зоні Брілюена, де закон дисперсії має мінімум, кількість еквівалентних долин, ефективна маса електрона, ефективна густина станів.

Вале́нтна зо́на — У зонній теорії твердого тіла найвища заповнена електронами зона основного стану фізичної системи.У напівпровідниках валентна зона заповнена повністю, у металах до певного значення енергії, який називається рівнем Фермі.

Заборо́нена зо́на — у зонній теорії кристалів проміжок енергій, в якому не існує делокалізованих одноелектронних станів. Характеризується шириною забороненої зони, тобто різницею енергій між дном зони провідності й верхом валентної зони.В залежності від того, в якій точці зони Брілюена розташовані дно зони провідності й верх валентної зони, напівпровідники діляться на прямозонні й непрямозонні. Прикладом прямозонних напівпровідників може служити арсенід галію (GaAs), непрямозонних — кремній (Si).