Элементарные полупроводники

Металлы

Вещества, у которых валентная зоны и зона проводимости перекрываются - металлы.

Диэлектрики

Вещества, у которых ширина запрещенной зоны достаточно велика для того, чтобы ни один электрон, находящийся в валентной зоне, не мог ни при какой температуре, вплоть до температуры плавления, переброситься в зону проводимости, называются диэлектриками.

Диэлектрики имеют очень высокое электрическое сопротивление.

В полупроводниковой электронике большое практическое значение имеют диэлектрики, представляющие собственные оксиды полупроводников. Для кремния - это двуокись кремния SiO₂, имеющая ширину запрещенной зоны 8 эВ.

Оценки показывают, что при ширине запрещенной зоны Eg > 2 эВ вероятность перехода электрона из валентной зоны в эону проводимости становится бесконечно малой при всех доступных нам температурах, поэтому к диэлектрикам можно отнести все изоляторы, у которых E_g > 2 эВ.

Однако следует помнить, что такая классификация подходит только к ²чистым² беспримесным веществам, поскольку легирование диэлектриков, например, алмаза (Eg = 5,5 эВ) приводит к возникновению у них проводимости, характерной для полупроводников.

Полупроводники

Полупроводники - это вещества, у которых за счет теплового возбуждения заметное число электронов попадает из валентной зоны в зону проводимости и при отличной от нуля температуре сравнительно хорошо проводят ток.

Наиболее широкое применение в полупроводниковой (пп) технике получили кремний [ Si ], германий [ Ge ], селен [ Se ], а также пп соединения: арсенид галлия [ GaAs ], карбид кремния [ SiC ], сульфид кадмия [ CdS ] и пр.

Существуют еще интересные с точки зрения зонной структуры кристаллы, которые имеют большое практическое значение.

Если при Т близкой к 0^оК зоны перекрываются очень незначительно, то такие вещества обладают промежуточными между металлами и полупроводниками свойствами: их часто называют полуметаллами. Концентрация электронов в них изменяется в широких пределах n = 10¹⁸¸10²¹ см^-3. Характерными примерами таких веществ могут служить висмут[ Bi ], сурьма [ Sb ].

Существует еще один особый класс веществ, строго занимающий промежуточное положение между металлами и полупроводниками - бесщелевые полупроводники - кристаллы, у которых расстояние между валентной зоной и зоной проводимости равно нулю. В бесщелевых полупроводниках нижняя заполненная электронами зона примыкает к верхней зоне, в которой при Т близкой к 0^оК вовсе нет электронов.

К бесщелевым полупроводникам относятся теллурид ртути HgTe, а также серое олово a-Sn.

Изменяя межатомное расстояние в полупроводниковых кристаллах под давлением, можно добиться перекрытия валентной зоны и зоны проводимости. При этом рассматриваемое вещество превратится из полупроводника в металл.

Полупроводниковые материалы

Полупроводниковые материалы - вещества с четко выраженными свойствами полупроводников в широком интервале температур, включая комнатную (~ 300 К), являющиеся основой для создания полупроводниковых приборов.

Для полупроводниковых материалов характерна высокая чувствительность электрофизических свойств к внешним воздействиям (нагрев, облучение, деформации и т.п.), а также к содержанию структурных дефектов и примесей.

Это используется для создания различных типов пп приборов.

Пример: удельная электрическая проводимость при 300^о К составляет 10⁴ ~ 10¹⁰ Ом^-1·см^-1 и увеличивается с ростом температуры.

Полупроводниковые материалы по структуре делятся на кристаллические, твердые аморфные и жидкие.

Наибольшее практическое применение находят неорганические кристаллические полупроводниковые материалы, которые по химическому составу разделяются на следующие основные группы.

Элементарные полупроводники

В группу элементарных полупроводников входят 12 химических элементов, которые образуют компактную группу, расположенную в середине таблицы Д. И. Менделеева (рис.2.2).

Ge, Si, C - углерод (алмаз и графит), В, a-Sn (серое олово), Те, Se и другие.

Рис.2.3 Цифры в кружке справа от символа химического элемента обозначают ширину запрещенной зоны в кристалле данного химического элемента.

Важнейшие представители этой группы - Ge и Si имеют кристаллическую решетку типа алмаза (алмазоподобны) и образуют между собой непрерывный ряд твердых растворов

2) Полупроводники А^IVВ^IV

Карбид кремния SiC -единств. пп., образуеый элементами IV группы. Структурные модификации: b-SiC (структура сфалерита); a-SiC (гексаген. структура), и пр. Тугоплавкий и широкозонный пп.

3) Полупроводники A^IVB^Vl,

Соединения типа A^IVB^Vl элементов IV и VI групп периодической системы с кристаллической структурой типа NaCl также обладают полупроводниковыми свойствами. Важнейшие представители - полупроводники PbS, PbSe, PbTe, SnTe, твердые растворы, наиболее известны Pb Sn_{1- x} Te, Pb _x Sn_{1- x}Se.

4) Полупроводники A^IIIB^V

Соединения типа A^IIIB^V элементов III и V групп периодической системы. Имеют в основном кристаллическую структуру типа сфалерита. Связь атомов в кристаллической решетке носит преимущественно ковалентный характер с некоторой долей (до 15%) ионной составляющей.

Важнейшие представители этой группы: GaAs, InP, InAs, InSb.

Многие полупроводниковые материалы типа А^IIIВ^V образуют между собой непрерывный ряд твердых растворов -- тройных и более сложных (Ga _x Al_{1- x}As, GaAs _x P_{1- x}, Ga _x In₁_ _x P, Ga _x In_{1- x}As _y P_{1- y} и т.п.), также являющихся важными.

5) Полупроводники A^IIB^VI

Соединения типа A^IIB^VIс кристаллич. структурой типа сфалерита или вюрцита. Связь между атомами в решетке носит ковалентно-ионный характер (доля ионной составляющей достигает 45-60%).

Важнейшие представители этой группы полупроводниковых материалов- CdTe, CdS, ZnTe, ZnSe (селенид цинка), ZnO, ZnS.

Многие соед. типа A^IIB^VI образуют между собой непрерывный ряд твердых р-ров, характерными представителями к-рых являются Cd_xHg_1-xTe, Cd_xHg_1-xSe, CdTe_xSe_1-x.

Физ. св-ва соед. типа A^IIB^V1 в значительной мере определяются содержанием собственных точечных дефектов структуры, имеющих низкую энергию ионизации и проявляющих высокую электрическую активность.

***************

Si - Silicon

Ge – Germanium,

C – Carbon, Diamond (алмаз)

GaP - Gallium Phosphide GaAs - Gallium Arsenide GaSb - Gallium Antimonide

InSb - Indium Antimonide InP - Indium Phosphide InAs - Indium Arsenide

GaN - Gallium Nitride AlN - Aluminium Nitride

GaAs_1-xSb_x - Gallium Arsenide Antimonide Al_xGa_1-xAs - Aluminium Gallium Arsenide

Ga_xIn_1-xP - Gallium Indium Phosphide

Ga_xIn_1-xAs - Gallium Indium Arsenide

Ga_xIn_1-xSb - Gallium Indium Antimonide

InAs_1-xSb_x - Indium Arsenide Antimonide