Общие сведения о полупроводниках. Полупроводниковые материалы

Полупроводниковые материалы

ЛЕКЦИЯ №10

Согласно зонной теории у большинства используемых в технике полупроводников ширина запрещенной зоны ΔW = 0,05 – 3,2 эВ. Благодаря сравнительно небольшой ширине запрещенной зоны под влиянием поглощения некоторого количества энергии отдельные возбужденные электроны могут быть переброшены через запрещенную зону в зону проводимости (передача энергии электронам может происходить посредством температуры, света, электрического поля, механических усилий и т. д.). На месте электронов, ушедших из заполненной зоны, остаются свободные места – «электронные дырки». При приложении к полупроводнику внешнего электрического поля электроны перемещаются в одном направлении, а дырки – в другом.

Используемые в практике полупроводниковые материалы могут быть подразделены на следующие группы:

1. Простые (собственные, чистые) полупроводники – это полупроводники,

не содержащие примесей.

2. Примесные полупроводники. Их можно разделить на две подгруппы:

а) примеси замещения, б) примеси внедрения.

3. Полупроводниковые химические соединения.

4. Полупроводниковые комплексы.

Собственными называются полупроводники, не содержащие примесей. Для полупроводников характерна исключительная чувствительность удельной проводимости к различным примесям. Например, при введении в химически чистый германий всего 0,001 % мышьяка его удельная проводимость увеличится в 10 000 раз. Простых полупроводников существует около десятка. В современной технике приобрели особое значение кремний, германий и частично селен. Для наиболее широко используемых собственных полупроводников ширина запрещенной зоны составляет ΔW = 0,5–2,5 эВ.

У примесных полупроводников в рабочем интервале температур поставщиками свободных носителей заряда являются примеси. Ощутимая концентрация собственных носителей появляется при возможно более высокой температуре, чем рабочий интервал температур. Чаще других в качестве основного полупроводника применяют элементы IV группы: кремний (ΔW = 1,12 эВ) и германий (ΔW = 0,72 эВ). Примеси бывают: замещения и внедрения.

В примесях замещения атомы примесей находятся в узлах кристаллической решётки. Примеси замещения можно разделить на доноры и акцепторы. Рассмотрим разницу в их влиянии на основной полупроводник на примере основного полупроводника – германия.

Германий (Ge) относится к IV группе, т. е. у него на внешней оболочке четыре валентных электрона. Он образовывает в кристалле четыре ковалентные связи с соседними атомами. Если к германию добавить примесь мышьяка, который относится к V группе и имеет на внешней орбите пять валентных электронов, то пятый электрон в ковалентной связи не участвует. Со своим атомом он связан только силой кулоновского взаимодействия, энергия этой связи W ≈ 0,01 – 0,1 эВ. Такая примесь называется донорной (дающей). Полупроводник с такой примесью имеет концентрацию электронов, большую, чем концентрацию дырок. Эти полупроводники называются полупроводниками n-типа.

Если к германию добавить примесь индия, который относится к III группе и имеет на внешней орбите три валентных электрона, то в одной из ковалентных связей появится вакантное место – дырка. Такая примесь называется акцепторной, и полупроводник будет иметь концентрацию дырок, большую, чем концентрация электронов, перешедших из валентной зоны в зону проводимости. Эти полупроводники относятся к полупроводникам

p-типа.

Примеси внедрения располагаются не в узлах, вместо основного элемента, а в межузловых пространствах. Тип электропроводности в этом случае зависит от размеров примесных атомов. Если внедрять в тесные межузловые пространства решётки германия большой по размерам атом лития, то это оказывается возможным только после отрыва у него единственного электрона с внешней орбиты. Образовавшийся ион лития меньше размером и помещается в межузловое пространство, а освободившийся электрон обуславливает электропроводность n-типа.

Внедрение в межузловое пространство атома кислорода, имеющего сравнительно небольшие размеры и шесть электронов на внешней орбите, приводит наоборот к захвату атомом кислорода двух электронов (до восьми) из атомов полупроводника, вследствие чего возникает электропроводность p-типа.