Электрические свойства полупроводников

тип

Существуют различные типы полупроводниковых материалов в зависимости от присутствующих в них примесей и их физической реакции на различные воздействия окружающей среды..

Собственные полупроводники

Те элементы, молекулярная структура которых состоит из одного типа атома. К таким типам полупроводников относятся кремний и германий..

Молекулярная структура собственных полупроводников является тетраэдрической; то есть он имеет ковалентные связи между четырьмя окружающими атомами, как показано на рисунке ниже.

Каждый атом собственного полупроводника имеет 4 валентных электрона; то есть 4 электрона, вращающиеся во внешнем слое каждого атома. В свою очередь каждый из этих электронов образует связи со смежными электронами.

Таким образом, каждый атом имеет 8 электронов в своем наиболее поверхностном слое, который образует прочный союз между электронами и атомами, составляющими кристаллическую решетку..

Из-за этой конфигурации электроны не могут легко перемещаться внутри структуры. Таким образом, в стандартных условиях собственные полупроводники ведут себя как изолятор.

Однако проводимость собственного полупроводника возрастает всякий раз, когда температура увеличивается, поскольку некоторые валентные электроны поглощают тепловую энергию и отделяются от связей.

Эти электроны становятся свободными электронами и, если на них правильно воздействует разница в электрическом потенциале, они могут способствовать циркуляции тока в кристаллической решетке..

В этом случае свободные электроны переходят в зону проводимости и переходят к положительному полюсу источника потенциала (например, батареи)..

Движение валентных электронов вызывает вакуум в молекулярной структуре, что приводит к эффекту, подобному тому, который мог бы вызвать положительный заряд в системе, поэтому они рассматриваются как носители положительного заряда..

Затем имеет место обратный эффект, поскольку некоторые электроны могут выпадать из зоны проводимости до тех пор, пока валентный слой не высвободит энергию в процессе, который получает название рекомбинации..

Внешние полупроводники

Они соответствуют включением примесей в собственные проводники; то есть путем включения трехвалентных или пятивалентных элементов.

Этот процесс известен как легирование и направлен на повышение проводимости материалов, улучшение физических и электрических свойств этих.

Подставляя собственный атом полупроводника на атом другого компонента, можно получить два типа внешних полупроводников, которые подробно описаны ниже..

Полупроводник типа Р

В этом случае примесь является трехвалентным полупроводниковым элементом; то есть с тремя (3) электронами в своей валентной оболочке.

Нарушающие элементы в структуре называются легирующими элементами. Примерами этих элементов для полупроводников P-типа являются бор (B), галлий (Ga) или индий (In).

Не имея валентного электрона для образования четырех ковалентных связей собственного полупроводника, полупроводник P-типа имеет зазор в недостающем звене.

Это делает прохождение электронов, которые не принадлежат к кристаллической сети через эту дырку с носителем положительного заряда.

Из-за положительного заряда зазора звена этот тип проводников называется буквой «Р» и, следовательно, они распознаются как акцепторы электронов..

Поток электронов через зазоры связи создает электрический ток, который течет в направлении, противоположном току, получаемому от свободных электронов..

Полупроводник типа N

Навязчивый элемент в конфигурации дается пятивалентными элементами; то есть те, которые имеют пять (5) электронов в валентной зоне.

В этом случае примесями, которые включены в собственный полупроводник, являются такие элементы, как фосфор (P), сурьма (Sb) или мышьяк (As).

Присадки имеют дополнительный валентный электрон, который, не имея ковалентной связи для присоединения, автоматически может свободно перемещаться по кристаллической сети..

Здесь электрический ток циркулирует через материал благодаря избытку свободных электронов, обеспечиваемых легирующей добавкой. Поэтому полупроводники N-типа считаются донорами электронов..

Проводимость полупроводника

Главное свойство полупроводников, результатом которого является широчайшее их распространение в современной электронике, является возможность легкого управления проводимостью. Это дает возможность использовать полупроводники для усиления и преобразования самых разных электрических сигналов.

Изначально полупроводниковые приборы строились в основном на основе германия. В настоящее время самое широкое применение находит кремний.

Строение кристалла полупроводника

Для понимания природы проводимости полупроводника следует рассмотреть его атомное строение. Кремний – четырехвалентный элемент. В его кристалле каждый атом связан ковалентными связями с четырьмя соседями. Ковалентная химическая связь – это связь, при которой электроны двух атомов «обобществляются», и становятся общими. То есть каждая связь в кремнии содержит два «обобществленных» электрона.

Рис. 1. Структура связей в кристалле кремния.

Электронная проводимость

Чем выше температура кристалла, тем больше энергии имеют валентные электроны, и тем легче им переходить между соседними атомами. Удалившись от одного атома, он может начать двигаться по связи с другим атомом (там, где в это время другой электрон «освободит место»).

Дырочная проводимость

Заметим, что электрон, ставший свободным – покинул свой атом, в результате чего у атома образовался избыточный положительный заряд, «вакантное место» в одной из четырех связей. Такой атом называется «дыркой». Поскольку в ковалентных связях электроны могут переходить от связи к связи – образовавшееся «вакантное место» может быть заполнено электроном из соседнего атома, таким образом дырка образуется в этом соседнем атоме.

В отсутствие электрического поля дырки образуются и исчезают хаотично. Однако, если такое поле появляется, дырка будет заполняться электронами из соседних атомов в основном под действием этого поля. То есть, под действием поля дырка начинает движение – в полупроводнике возникает дырочная проводимость.

Таким образом, кратко электрический ток в полупроводниках можно представить в виде движения электронов и дырок.

Собственная и примесная проводимость

Собственная проводимость чистого полупроводника, как правило, невелика, существенно меньше, чем проводимость металлов. Для работы в электронных схемах это большой недостаток. Для увеличения проводимости в полупроводник вводят специальные примеси.

Атомы примеси подбираются так, чтобы они легко встраивались в кристаллическую структуру полупроводника, и при этом значительно влияли на его проводимость, несмотря на небольшое количество примеси. Такой результат можно получить, если валентность примеси будет немного отличаться (на единицу) от валентности вещества полупроводника.

Донорная и акцепторная проводимость

Валентность примеси может быть равна пяти (например, у мышьяка). В этом случае у каждого атома примеси кроме четырех электронов, участвующих в связи с соседними атомами кремния, будет один «лишний» электрон, который сможет легко покидать атом мышьяка, и двигаться в полупроводнике. Проводимость кристалла резко возрастает за счет появляющихся свободных электронов. Примесь, которая легко увеличивает число свободных электронов, называется донорной, а кристалл полупроводника с донорной примесью называется n-типом (от «negative»). Основными носителями в таком полупроводнике являются электроны.

Рис. 2. Электронная проводимость полупроводника.

Валентность примеси может быть равна трем (например, у индия). В этом случае у каждого атома примеси в четырех связях с соседними атомами кремния всегда будет одно «вакантное» место, которое будет легко заполняться электронами соседних атомов. Проводимость кристалла в этом случае также возрастает, за счет увеличенного числа дырок. Примесь, увеличивающая число дырок, называется акцепторной, а полупроводник с такой примесью называется полупроводником p-типа (от «positive»). Основными носителями в нем являются дырки.

Рис. 3. Дырочная проводимость полупроводника.

Изменяя концентрацию примесей, можно значительно менять как электронную, так и дырочную проводимость. Эта возможность широко используется в электронике.

Типы полупроводников, оксиды

Оксиды металлов преимущественно являются прекрасными изоляторами, но есть и исключения. Примеры полупроводников этого типа – оксид никеля, оксид меди, оксид кобальта, двуокись меди, оксид железа, оксид европия, оксид цинка. Так как двуокись меди существует в виде минерала куприта, её свойства усиленно исследовались. Процедура выращивания полупроводников этого типа еще не совсем понятна, поэтому их применение пока ограничено. Исключение составляет оксид цинка (ZnO), соединение 2—6 групп, применяемый в качестве преобразователя и в производстве клеящих лент и пластырей.

Положение кардинально изменилось после того, как во многих соединениях меди с кислородом была открыта сверхпроводимость. Первым высокотемпературным сверхпроводником, открытым Мюллером и Беднорцем, стало соединение, основанное на полупроводнике La2CuO4 с энергетическим зазором 2 эВ. Замещая трёхвалентный лантан двухвалентным барием или стронцием, в полупроводник вводятся переносчики заряда дырки. Достижение необходимой концентрации дырок превращает La2CuO4 в сверхпроводник. В данное время наибольшая температура перехода в сверхпроводящее состояние принадлежит соединению HgBaCa2Cu3O8. При высоком давлении её значение составляет 134 К.

ZnO, оксид цинка, используется в варисторах, голубых светодиодах, датчиках газа, биологических сенсорах, покрытиях окон для отражения инфракрасного света, как проводник в ЖК-дисплеях и солнечных батареях. dE=3.37 эВ.

Что такое полупроводник?

Дата: Категория: Физика

Полупроводник — это кристаллический материал, который проводит электричество не столь хорошо, как металлы, но и не столь плохо, как большинство изоляторов. В общем случае электроны полупроводников крепко привязаны к своим ядрам. Однако, если в полупроводник, например, в кремний, ввести несколько атомов сурьмы, имеющей «избыток» электронов, то в этом случае свободные электроны сурьмы помогут кремнию переносить отрицательный заряд.

При замене нескольких атомов полупроводника индием, который легко присоединяет к себе дополнительные электроны, в полупроводнике образуются не занятые электронами «свободные места», или, как говорят физики, «дырки»; которые переносят положительный заряд.

Такие свойства полупроводников привели к их широкому использованию в транзисторах — устройствах для усиления тока, его блокирования или пропускания только в одном направлении. В типичном NPN транзисторе, слой полупроводника с положительной (Р) проводимостью (основание), расположен между двумя слоями полупроводника с отрицательной (N) проводимостью (эмиттером и коллектором). Когда слабый сигнал, например, от интеркома (аппарата селекторной связи), проходит через основание NPN транзистора, эмиссия электронов этот сигнал усиливает.

Строение полупроводников

Полупроводники N-типа содержат избыточное количество электронов, переносящих отрицательный заряд. Полупроводники Р-типа испытывают нехватку электронов, но зато имеют избыток дырок (вакантных мест для электронов), которые переносят положительный заряд.

Отличительные признаки полупроводников

В отличие от проводников, имеющих много свободных электронов, и изоляторов, практически их не имеющих, полупроводники содержат небольшое количество свободных электронов и так называемые дырки (белый кружочек) — вакантные места, оставленные свободными электронами. И дырки и электроны проводят электрический ток.

PNP транзистор

Дырки перемещаются от положительного эмиттера (+) к отрицательному основанию (N-слою) и далее через положительный коллектор к отрицательной клемме (-), усиливая электрический ток.

Что такое диод?

В одну сторону да, в другую — нет. Входной сигнал диода показывает переменный ток; из правого графика видно, что через диод проходит только постоянный ток.

Когда отрицательно заряженные электроны (голубые шарики) и положительно заряженные дырки (розовые шарики) расходятся от стыка слоев кремния N-типа и Р-типа в диоде, электрический ток прерывается. На нижнем рисунке справа электроны и дырки перемещаются к стыку, и в результате диод проводит ток только в одном направлении, превращая переменный ток в постоянный.

Полупроводниковые приборы и их классификация.

В современной электронике на основе полупроводников производят активные элементы. То есть те, которые способны менять свои электрические характеристики в зависимости от подаваемого на них напряжения. Скажем, тот же транзистор является активным элементом, поскольку его значение внутреннего сопротивления будет меняться в зависимости от разных условий в электронной цепи. А вот, например обычный резистор относиться к категории пассивных элементов, так как его сопротивление будет всегда одинаковым. К пассивным электронным компонентам относятся также конденсаторы и катушки. Их создают из других материалов.

Фундаментальными активными элементами являются транзисторы и диоды. Другие полупроводниковые приборы, такие как варикапы, тиристоры и симисторы — это модификации и тех же транзисторов и диодов. Приборы с одним элементом называются дискретными. Соединив множество полупроводниковых элементов на одном кристалле, получают интегральную схему. Например, процессор и память компьютера являются интегральными схемами, состоящими из сотен миллионов транзисторов.

Электронно-дырочный переход

Электронно-дырочный переход (сокращенно р-n-переход) возникает в полупроводниковом кристалле, имеющем одновременно области с n-типа (содержит донорные примеси) и р-типа (с акцепторными примесями) прово-димостями на границе между этими областями.

Допустим, у нас есть кристалл, в котором слева находится область полупроводника с дырочной (p-типа), а справа — с электронной (n-типа) проводимостью (рис. 10). Благодаря тепловому движению при образовании контакта электроны из полупроводника n-типа будут диффундировать в область р-типа. При этом в области n-типа останется нескомпенсированный положительный ион донора. Перейдя в область с дырочной проводимостью, электрон очень быстро рекомбинирует с дыркой, при этом в области р-типа образуется нескомпенсированный ион акцептора.

Рис. 10

Аналогично электронам дырки из области р-типа диффундируют в электронную область, оставляя в дырочной области нескомпенсированный отрицательно заряженный ион акцептора. Перейдя в электронную область, дырка рекомбинирует с электроном. В результате этого в электронной области образуется нескомпенсированный положительный ион донора.

В результате диффузии на границе между этими областями образуется двойной электрический слой разноименно заряженных ионов, толщина l

которого не превышает долей микрометра.

Между слоями ионов возникает электрическое поле с напряженностью Ei

. Электрическое поле электронно-дырочного перехода (р-n-переход) препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу раздела двух полупроводников. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с остальными объемами полупроводников.

Внешнее электрическое поле с напряженностью E

влияет на сопротивление запирающего электрического поля. Если n-полупроводник подключен к отрицательному полюсу источника, а плюс источника соединен с p-полупроводником, то под действием электрического поля электроны в n-полупроводнике и дырки в p-полупроводнике будут двигаться навстречу друг другу к границе раздела полупроводников (рис. 11). Электроны, переходя границу, «заполняют» дырки. При таком прямом направлении внешнего электрического поля толщина запирающего слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются. В этом направлении электрический ток проходит через р-n-переход.

Рис. 11

Рассмотренное направление p-n-перехода называют прямым

. Зависимость силы тока от напряжения, т.е.вольт-амперная характеристика прямого перехода, изображена на рис. 12 сплошной линией.

Рис. 12

Если n-полупроводник соединен с положительным полюсом источника, а p-полупроводник — с отрицательным, то электроны в n-полупроводнике и дырки в p-полупроводнике под действием электрического поля будут перемещаться от границы раздела в противоположные стороны (рис. 13). Это приводит к утолщению запирающего слоя и увеличению его сопротивления. Направление внешнего электрического поля, расширяющее запирающий слой, называется запирающим

(обратным ). При таком направлении внешнего поля электрический ток основных носителей заряда через контакт двух п- и p-полупроводников не проходит.

Рис. 13

Ток через p-n-переход теперь обусловлен электронами, которые есть в полупроводнике p-типа, и дырками из полупроводника n-типа. Но неосновными носителей заряда очень мало, поэтому проводимость перехода оказывается незначительной, а его сопротивление — большим. Рассмотренное направление p-n-перехода называют обратным

, его вольт-амперная характеристика изображена на рис. 12 штриховой линией.

Обратите внимание, что масштаб измерения силы тока при прямом и обратном переходах отличаются в тысячу раз. Заметим, что при определенном напряжении, приложенном в обратном направлении, происходит пробой

Заметим, что при определенном напряжении, приложенном в обратном направлении, происходит пробой

(т.е. разрушение) p-n-перехода.

Двухэлементные соединения

Свойства полупроводников, образуемых элементами 3 и 4 групп таблицы Менделеева, напоминают свойства веществ 4 группы. Переход от 4 группы элементов к соединениям 3–4 гр. делает связи частично ионными по причине переноса заряда электронов от атома 3 группы к атому 4 группы. Ионность меняет свойства полупроводников. Она является причиной увеличения кулоновского межионного взаимодействия и энергии энергетического разрыва зонной структуры электронов. Пример бинарного соединения этого типа – антимонид индия InSb, арсенид галлия GaAs, антимонид галлия GaSb, фосфид индия InP, антимонид алюминия AlSb, фосфид галлия GaP.

Ионность возрастает, а значение её еще больше растёт в соединениях веществ 2—6 групп, таких как селенид кадмия, сульфид цинка, сульфид кадмия, теллурид кадмия, селенид цинка. В итоге у большинства соединений 2—6 групп запрещённая зона шире 1 эВ, кроме соединений ртути. Теллурид ртути – полупроводник без энергетического зазора, полуметалл, подобно α-олову.

Полупроводники 2-6 групп с большим энергетическим зазором находят применение в производстве лазеров и дисплеев. Бинарные соединения 2– 6 групп со суженным энергетическим разрывом подходят для инфракрасных приемников. Бинарные соединения элементов 1–7 групп (бромид меди CuBr, иодид серебра AgI, хлорид меди CuCl) по причине высокой ионности обладают запрещённой зоной шире З эВ. Они фактически не полупроводники, а изоляторы. Нитрид галлия — соединение 3-5 групп с широким энергетическим зазором, нашёл применение в полупроводниковых лазерах и светодиодах, работающих в голубой части спектра.

Определение и свойства

Полупроводниками считают вещества, которые обладают слабовыраженными свойствами электропроницаемости металлов и изоляторов одновременно, имеется зависимость движения тока от температуры, излучений и концентрации примесей. Группа полупроводников представляется большим количеством материалов, чем металлы и диэлектрики, вместе взятые. Имеющиеся свойства веществ уникальны:

Удельное электрическое сопротивление ПП с нагревом тела уменьшается, в отличие от металлов, где рост температуры вызывает увеличение противодействия. Вследствие этого токопроводимость растёт. При охлаждении до абсолютного нуля — минус 273 ºC, ПП обретают способность становиться изоляторами, диэлектриками.
Односторонняя проницаемость на контакте 2 полупроводников — это свойство послужило толчком к созданию выпрямительных приборов: тиристоров, диодов и транзисторов.
Возникновение электрической движущей силы в определённых условиях: при нагревании контактов полупроводников появляется термический ток, а освещение вызывает напряжение фотоэффекта. ПП преобразуют солнечную энергию в электроток, а металлический предмет такого свойства не имеет.
Увеличение проводимости достигается введением в чистую кристаллическую решётку ПП примеси — другого химического элемента. Такими веществами будут фосфор, бор и прочие добавки в кремний.

Благодаря специфическим свойствам, использование полупроводниковых материалов обширное: энергетическая микроэлектроника, промышленное изготовление машин, а некоторые виды ПП являются сырьём для строительных материалов. Существует несколько типов элементов, они имеют разное назначение и индивидуальные конструктивные особенности.

Транзисторы: MOSFET

Кремний используется в производстве самой главной части любого процессора — транзистора. Существует множество различных методов их изготовления, однако мы остановимся на самой распространенной на сегодня технологии MOSFET (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor, или полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник).

MOSFET-транзистор имеет относительно простой дизайн, однако в то же время существуют некоторые сложности в его имплементации. Такой транзистор состоит из четырех основных частей: истока (source), затвора (gate), стока (drain) и базы (body). Остановимся подробнее на взаимодействии первых трех компонентов.

Методы получения

Самый востребованный способ очистки полупроводников — «зонная плавка». Другой распространенный вариант – «вытягивание монокристаллов из расплавленного материала», называется методом Чохральского. При первом способе кусок «грязного» полупроводника кладется в чистую графитовую лодочку, помещенную в кварцевую трубку, по которой постоянно протекает инертный газ аргон, препятствующий проникновению в нее различных примесей, воздуха.

С помощью небольшого кольцевого нагревателя удается расплавить маленькую часть слитка, затем с медленной скоростью перемещается расплавленный кусок вдоль нагревательного элемента. Если повторить такой процесс много раз, остается чистый слиток, поскольку грязный конец отламывается.

При втором способе медленно вытягивается кусок кристалла из расплава, находящегося в инертном газе. В процессе вытяжки для получения однородной структуры полупроводника и равномерного смешивания введенных примесей создают круговое движение в разные направления с четким контролем температуры плавления. Затем кристалл остывает и идет в производство.

Определение и свойства

Удельное электрическое сопротивление ПП с нагревом тела уменьшается, в отличие от металлов, где рост температуры вызывает увеличение противодействия. Вследствие этого токопроводимость растёт. При охлаждении до абсолютного нуля — минус 273 ºC, ПП обретают способность становиться изоляторами, диэлектриками.
Односторонняя проницаемость на контакте 2 полупроводников — это свойство послужило толчком к созданию выпрямительных приборов: тиристоров, диодов и транзисторов.
Возникновение электрической движущей силы в определённых условиях: при нагревании контактов полупроводников появляется термический ток, а освещение вызывает напряжение фотоэффекта. ПП преобразуют солнечную энергию в электроток, а металлический предмет такого свойства не имеет.
Увеличение проводимости достигается введением в чистую кристаллическую решётку ПП примеси — другого химического элемента. Такими веществами будут фосфор, бор и прочие добавки в кремний.