Полупроводниковые материалы

Полупроводники – это такие материалы, которые занимают промежуточное место по значению удельной проводимости между проводниками и диэлектриками.

Отличительной особенностью данных материалов является резкое изменение проводимости под действием температуры, освещенности, напряженности электрического поля.

К полупроводникам относятся как чистые элементы (Cr, Se, Ge), так и химические соединения (Cu₂O, TiC, GaSb, AsSb, AlSb, InAs).

К настоящему времени существует около 12 полупроводниковых материалов.

Кристаллическая решетка построена по типу ковалентной связи, т.е. атомы имеют общие электроны.

Объяснение электропроводности полупроводников дает зонная теория твердых тел. Ее суть: в твердых телах электронные уровни существуют не по одному, а совокупностями или зонами энергетических уровней.

В любом электротехническом материале существует зона валентных электронов, которые связаны с атомами и зона проводимости, где электроны становятся свободными, не связанными с атомами и следовательно являются проводниками электрического тока.

В полупроводниках ток возникает тогда, когда часть электронов валентной зоны проходит в зону проводимости. Однако, чтобы такой переход осуществился, электроны должны преодолеть какой-то энергетический барьер ΔЕ, для чего электрону надо сообщить дополнительную энергию.

Запрещенная зона характеризуется количеством энергии, которую необходимо сообщить электрону, чтобы он из валентной зоны перешел в зону проводимости.

Рассмотрим энергетические диаграммы для проводников, полупроводников, диэлектриков.

Запрещенная зона у полупроводников меньше, чем у диэлектриков, и на ее преодоление необходимо меньше энергии. Запрещенная зона у проводников практически отсутствует, поэтому электроны из валентной зоны легко переходят в зону проводимости и ограниченно передвигаются в пределах проводника, создавая электронную проводимость.

Электрон, получивший достаточную энергию для преодоления запрещенной зоны, переходит в зону проводимости и образует в валентной зоне дырку.

Если эта дырка будет занята другим электроном валентной зоны, то на листе, где был этот электрон образуется новая дырка. Происходит перемещение дырок эквивалентно перемещению пол-ного заряда. Образуется дырочная проводимость.

Полупроводники, у которых электроны в зону проводимости поставляются только из валентной зоны, называются собственными проводниками.

Для увеличения электронной или дырочной проводимости в полупроводники вводят специальные примеси – инородные атомы.

Энергетические уровни примесных атомов располагаются в запрещенной зоне основного полупроводника.

Различают донорные примеси, энергетические уровни которых расположены вблизи зоны проводимости, и акцепторные примеси, уровни которых расположены вблизи валентной зоны.

Донорные примеси поставляют электроны в зону проводимости, образуя преимущественную электронную проводимость.

Полупроводники с электронной проводимостью называются полупроводниками n-типа.

Полупроводники, в которых существуют акцепторные примеси, создают в полупроводниках дополнительные энергетические уровни, на которые могут переходить электроны из валентной зоны, образуя там дырки.

Полупроводники с преимущественно дырочной проводимостью называются полупроводниками р-типа.

Для получения полупроводников с электронной проводимостью в них вводят вещества с валентностью на 1 больше валентности основного полупроводника.

Например Ge^IV→Sb^V

4 валентных электрона атома Sb устанавливают 4 парных ковалентных связей с атомом германия.

5-ый электрон не участвует в образовании парно-электронной связи, поэтому обладают более высокой энергией и может быть легко переведен в зону проводимости.

Для получения полупроводников с дырочной проводимостью (р-типа) в них вводят вещества с валентностью на 1 меньше валентности основного полупроводника, напрмиер Ge^IV→In^III

Каждый из электронов атомов индия устанавливает 3 ковалентных связи с атомами германия. Для связи с 4 электроном у индия электронов нет.

По этой причине электрон атома германия под небольшим энергетическим воздействием покидает свое место и образует там дырку. Легируя полупроводник таким образом, чтобы в одной области преобладали доноры, а в другой акцепторы, получают p-n переходы, на свойствах которых основана вся полупроводниковая электроника.

Полупроводниковые выпрямители образуются путем соединения в стык полупроводников с электронной (n) и дырочной (p) проводимостью, при этом на границе образуется p-n переход. В результате диффузии дырок и электронов навстречу друг другу граница полупроводников меняется. …

Если «+» подвести к области р-типа, а «-«к области n-типа (прямая полярность), то основные носители двигаются в направлении p-n перехода, легко переходят через него, образуя электрический ток. Если к области р-типа подвести «-«, а к области n-типа «+», то носители будут двигаться от направления p-n перехода и ток через p-n переход проходить не будет.

Для усиления тока применяют транзисторы (триоды). Полупроводник транзистора состоит из 3-х слоев.

Транзистор подключается к 2-м источникам тока; на один из p-n переходов подается напряжение прямой полярности. Этот переход называется эмиттерным. На второй переход подается напряжение обратной полярности (коллекторный). А средний полупроводник называется базой.

Полупроводники применяют для изготовления термисторов – полупроводниковых сопротивлений и фоторезисторов – полупроводниковых фотосопротивлений.

В термисторах используются свойства полупроводников увеличивать электропроводность при нагреве.

Фоторезисторы основаны на свойстве полупроводников увеличивать электропроводность под действием света.

Термисторы изготавливают из сернистых соединений (кадмия, висмута, свинца).