Тонкий полупроводник: Полупроводники. Структура полупроводников. Типы проводимости и возникновение тока в полупроводниках.

Содержание

Полупроводники. Структура полупроводников. Типы проводимости и возникновение тока в полупроводниках.

Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. На сайте есть раздел посвященный начинающим радиолюбителям, но пока что для начинающих, делающих первые шаги в мир электроники, я толком ничего и не написал. Восполняю этот пробел, и с этой статьи мы начинаем знакомиться с устройством и работой радиокомпонентов (радиодеталей).

Начнем с полупроводниковых приборов. Но чтобы понять, как работает диод, тиристор или транзистор, надо представлять, что такое полупроводник. Поэтому мы, сначала изучим структуру и свойства полупроводников на молекулярном уровне, а затем уже будем разбираться с работой и устройством полупроводниковых радиокомпонентов.

Общие понятия.

Почему именно полупроводниковый диод, транзистор или тиристор? Потому, что основу этих радиокомпонентов составляют полупроводники – вещества, способные, как проводить электрический ток, так и препятствовать его прохождению.

Это большая группа веществ, применяемых в радиотехнике (германий, кремний, селен, окись меди), но для изготовления полупроводниковых приборов используют в основном только Кремний (Si) и Германий (Ge).

По своим электрическим свойствам полупроводники занимают среднее место между проводниками и непроводниками электрического тока.

Свойства полупроводников.

Электропроводность проводников сильно зависит от окружающей температуры.
При очень низкой температуре, близкой к абсолютному нулю (-273°С), полупроводники не проводят электрический ток, а с повышением температуры, их сопротивляемость току уменьшается.

Если на полупроводник навести свет, то его электропроводность начинает увеличиваться. Используя это свойство полупроводников, были созданы фотоэлектрические приборы. Также полупроводники способны преобразовывать энергию света в электрический ток, например, солнечные батареи. А при введении в полупроводники примесей определенных веществ, их электропроводность резко увеличивается.

Строение атомов полупроводников.

Германий и кремний являются основными материалами многих полупроводниковых приборов и имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона.

Атом германия состоит из 32 электронов, а атом кремния из 14. Но только 28 электронов атома германия и 10 электронов атома кремния, находящиеся во внутренних слоях своих оболочек, прочно удерживаются ядрами и никогда не отрываются от них. Лишь только четыре валентных электрона атомов этих проводников могут стать свободными, да и то не всегда. А если атом полупроводника потеряет хотя бы один электрон, то он становится положительным ионом.

В полупроводнике атомы расположены в строгом порядке: каждый атом окружен четырьмя такими же атомами. Причем они расположены так близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг соседних атомов, тем самым связывая атомы в единое целое вещество.

Представим взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника в виде плоской схемы.
На схеме красные шарики с плюсом, условно, обозначают ядра атомов (положительные ионы), а синие шарики – это валентные электроны.

Здесь видно, что вокруг каждого атома расположены четыре точно таких же атома, а каждый из этих четырех имеет связь еще с четырьмя другими атомами и т.д. Любой из атомов связан с каждым соседним двумя валентными электронами, причем один электрон свой, а другой заимствован у соседнего атома. Такая связь называется двухэлектронной или ковалентной.

В свою очередь, внешний слой электронной оболочки каждого атома содержит восемь электронов: четыре своих, и по одному, заимствованных от четырех соседних атомов. Здесь уже не различишь, какой из валентных электронов в атоме «свой», а какой «чужой», так как они сделались общими. При такой связи атомов во всей массе кристалла германия или кремния можно считать, что кристалл полупроводника представляет собой одну большую молекулу. На рисунке розовым и желтым кругами показана связь между внешними слоями оболочек двух соседних атомов.

Электропроводность полупроводника.

Рассмотрим упрощенный рисунок кристалла полупроводника, где атомы обозначаются красным шариком с плюсом, а межатомные связи показаны двумя линиями, символизирующими валентные электроны.

При температуре, близкой к абсолютному нулю полупроводник не проводит ток, так как в нем нет свободных электронов. Но с повышением температуры связь валентных электронов с ядрами атомов ослабевает и некоторые из электронов, вследствие теплового движения, могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится «свободным», а там где он находился до этого, образуется пустое место, которое условно называют дыркой.

Чем выше температура полупроводника, тем больше в нем становится свободных электронов и дырок. В итоге получается, что образование «дырки» связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а сама дырка становится положительным электрическим зарядом равным отрицательному заряду электрона.

А теперь давайте рассмотрим рисунок, где схематично показано явление возникновения тока в полупроводнике.

Если приложить некоторое напряжение к полупроводнику, контакты «+» и «-», то в нем возникнет ток.
Вследствие тепловых явлений, в кристалле полупроводника из межатомных связей начнет освобождаться некоторое количество электронов (синие шарики со стрелками). Электроны, притягиваясь положительным полюсом источника напряжения, будут перемещаться в его сторону, оставляя после себя дырки, которые будут заполняться другими освободившимися электронами. То есть, под действием внешнего электрического поля носители заряда приобретают некоторую скорость направленного движения и тем самым создают электрический ток.

Например: освободившийся электрон, находящийся ближе всего к положительному полюсу источника напряжения притягивается этим полюсом. Разрывая межатомную связь и уходя из нее, электрон оставляет после себя дырку. Другой освободившийся электрон, который находится на некотором удалении от положительного полюса, также притягивается полюсом и движется в его сторону, но встретив на своем пути дырку, притягивается в нее ядром атома, восстанавливая межатомную связь.

Образовавшуюся новую дырку после второго электрона, заполняет третий освободившийся электрон, находящийся рядом с этой дыркой (рисунок №1). В свою очередь дырки, находящиеся ближе всего к отрицательному полюсу, заполняются другими освободившимися электронами (рисунок №2). Таким образом, в полупроводнике возникает электрический ток.

Пока в полупроводнике действует электрическое поле, этот процесс непрерывен: нарушаются межатомные связи — возникают свободные электроны — образуются дырки. Дырки заполняются освободившимися электронами – восстанавливаются межатомные связи, при этом нарушаются другие межатомные связи, из которых уходят электроны и заполняют следующие дырки (рисунок №2-4).

Из этого делаем вывод: электроны движутся от отрицательного полюса источника напряжения к положительному, а дырки перемещаются от положительного полюса к отрицательному.

Электронно-дырочная проводимость.

В «чистом» кристалле полупроводника число высвободившихся в данный момент электронов равно числу образующихся при этом дырок, поэтому электропроводность такого полупроводника мала, так как он оказывает электрическому току большое сопротивление, и такую электропроводность называют собственной.

Но если в полупроводник добавить в виде примеси некоторое количество атомов других элементов, то электропроводность его повысится в разы, и в зависимости от структуры атомов примесных элементов электропроводность полупроводника будет электронной или дырочной.

Электронная проводимость.

Допустим, в кристалле полупроводника, в котором атомы имеют по четыре валентных электрона, мы заменили один атом атомом, у которого пять валентных электронов. Этот атом своими четырьмя электронами свяжется с четырьмя соседними атомами полупроводника, а пятый валентный электрон останется «лишним» – то есть свободным. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше окажется свободных электронов, а значит, такой полупроводник по своим свойствам приблизится к металлу, и чтобы через него проходил электрический ток, в нем не обязательно должны разрушаться межатомные связи.

Полупроводники, обладающие такими свойствами, называют полупроводниками с проводимостью типа «n», или полупроводники n-типа. Здесь латинская буква n происходит от слова «negative» (негатив) — то есть «отрицательный». Отсюда следует, что в полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются – электроны, а не основными – дырки.

Дырочная проводимость.

Возьмем все тот же кристалл, но теперь заменим его атом атомом, в котором только три свободных электрона. Своими тремя электронами он свяжется только с тремя соседними атомами, а для связи с четвертым атомом у него не будет хватать одного электрона. В итоге образуется дырка. Естественно, она заполнится любым другим свободным электроном, находящимся поблизости, но, в любом случае, в кристалле такого полупроводника не будет хватать электронов для заполнения дырок. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше будет дырок.

Чтобы в таком полупроводнике могли высвобождаться и передвигаться свободные электроны, обязательно должны разрушаться валентные связи между атомами. Но электронов все равно не будет хватать, так как число дырок всегда будет больше числа электронов в любой момент времени.

Такие полупроводники называют полупроводниками с дырочной проводимостью или проводниками p-типа, что в переводе от латинского «positive» означает «положительный». Таким образом, явление электрического тока в кристалле полупроводника p-типа сопровождается непрерывным возникновением и исчезновением положительных зарядов – дырок. А это значит, что в полупроводнике p-типа основными носителями заряда являются дырки, а не основными — электроны.

Теперь, когда Вы имеете некоторое представление о явлениях, происходящих в полупроводниках, Вам не составит труда понять принцип действия полупроводниковых радиокомпонентов.

На этом давайте остановимся, а в следующей части рассмотрим устройство, принцип работы диода, разберем его вольт-амперную характеристику и схемы включения.
Удачи!

Источник:

1. Борисов В.Г. — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Сайт academic.ru: http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/45172.

Типы полупроводников. Свойства, практическое применение.

Здравствуйте, дорогие друзья. В этой статье речь пойдет о полупроводниках. Мы рассмотрим типы полупроводников, их свойства и практическое применение.

Почему именно полупроводниковый диод, транзистор или тиристор? Потому, что основу этих радиокомпонентов составляют полупроводники – вещества, способные, как проводить электрический ток, так и препятствовать его прохождению.

По своим электрическим свойствам полупроводники занимают среднее место между проводниками и непроводниками электрического тока.

Самым известным полупроводником является кремний (Si). Но, кроме него, есть много других. Примером могут служить такие природные полупроводниковые материалы, как цинковая обманка (ZnS), куприт (Cu2O), галенит (PbS) и многие другие. Семейство полупроводников, включая полупроводники, синтезированные в лабораториях, представляет собой один из наиболее разносторонних классов материалов, известных человеку.

Характеристика полупроводников

Из 104 элементов таблицы Менделеева 79 являются металлами, 25 – неметаллами, из которых 13 химических элементов обладают полупроводниковыми свойствами и 12 – диэлектрическими. Основное отличие полупроводников состоит в том, что их электропроводность значительно возрастает при повышении температуры. При низких температурах они ведут себя подобно диэлектрикам, а при высоких — как проводники. Этим полупроводники отличаются от металлов: сопротивление металла растёт пропорционально увеличению температуры.

Другим отличием полупроводника от металла является то, что сопротивление полупроводника падает под действием света, в то время как на металл последний не влияет. Также меняется проводимость полупроводников при введении незначительного количества примеси.

Полупроводники встречаются среди химических соединений с разнообразными кристаллическими структурами. Это могут быть такие элементы, как кремний и селен, или двойные соединения, как арсенид галлия. Многие органические соединения, например полиацетилен (СН)n, – полупроводниковые материалы. Некоторые полупроводники проявляют магнитные (Cd1-xMnxTe) или сегнетоэлектрические свойства (SbSI). Другие при достаточном легировании становятся сверхпроводниками (GeTe и SrTiO3). Многие из недавно открытых высокотемпературных сверхпроводников имеют неметаллические полупроводящие фазы. Например, La2CuO4 является полупроводником, но при образовании сплава с Sr становится сверхроводником (La1-xSrx)2CuO4.

Учебники физики дают полупроводнику определение как материалу с электрическим сопротивлением от 10-4 до 107 Ом·м. Возможно и альтернативное определение. Ширина запрещённой зоны полупроводника — от 0 до 3 эВ. Металлы и полуметаллы – это материалы с нулевым энергетическим разрывом, а вещества, у которых она превышает З эВ, называют изоляторами. Есть и исключения. Например, полупроводниковый алмаз имеет запрещённую зону шириной 6 эВ, полуизолирующий GaAs – 1,5 эВ. GaN, материал для оптоэлектронных приборов в синей области, имеет запрещённую зону шириной 3,5 эВ.

Типы полупроводников, энергетический зазор

Валентные орбитали атомов в кристаллической решётке разделены на две группы энергетических уровней – свободную зону, расположенную на высшем уровне и определяющую электропроводность полупроводников, и валентную зону, расположенную ниже. Эти уровни, в зависимости от симметрии решётки кристалла и состава атомов, могут пересекаться или располагаться на расстоянии друг от друга. В последнем случае между зонами возникает энергетический разрыв или, другими словами, запрещённая зона.

Расположение и заполнение уровней определяет электропроводные свойства вещества. По этому признаку вещества делят на проводники, изоляторы и полупроводники. Ширина запрещённой зоны полупроводника варьируется в пределах 0,01–3 эВ, энергетический зазор диэлектрика превышает 3 эВ. Металлы из-за перекрытия уровней энергетических разрывов не имеют.

Полупроводники и диэлектрики, в противовес металлам, имеют заполненную электронами валентную зону, а ближайшая свободная зона, или зона проводимости, отгорожена от валентной энергетическим разрывом – участком запрещённых энергий электронов.

Типы полупроводников

  Типы полупроводников, ширина запрещенной зоны

В диэлектриках тепловой энергии либо незначительного электрического поля недостаточно для совершения скачка через этот промежуток, электроны в зону проводимости не попадают. Они не способны передвигаться по кристаллической решётке и становиться переносчиками электрического тока.

Чтобы возбудить электропроводимость, электрону на валентном уровне нужно придать энергию, которой бы хватило для преодоления энергетического разрыва. Лишь при поглощении количества энергии, не меньшего, чем величина энергетического зазора, электрон перейдёт из валентного уровня на уровень проводимости.

В том случае, если ширина энергетического разрыва превышает 4 эВ, возбуждение проводимости полупроводника облучением либо нагреванием практически невозможно – энергия возбуждения электронов при температуре плавления оказывается недостаточной для прыжка через зону энергетического разрыва. При нагреве кристалл расплавится до возникновения электронной проводимости. К таким веществам относится кварц (dE = 5,2 эВ), алмаз (dE = 5,1 эВ), многие соли.

Примесная и собственная проводимость полупроводников

Чистые полупроводниковые кристаллы имеют собственную проводимость. Такие полупроводники именуются собственными. Собственный полупроводник содержит равное число дырок и свободных электронов. При нагреве собственная проводимость полупроводников возрастает. При постоянной температуре возникает состояние динамического равновесия количества образующихся электронно-дырочных пар и количества рекомбинирующих электронов и дырок, которые остаются постоянными при данных условиях.

Наличие примесей оказывает значительное влияние на электропроводность полупроводников. Добавление их позволяет намного увеличить количество свободных электронов при небольшом числе дырок и увеличить количество дырок при небольшом числе электронов на уровне проводимости.

Примесные полупроводники – это проводники, обладающие примесной проводимостью. Примеси, которые с лёгкостью отдают электроны, называются донорными. Донорными примесями могут быть химические элементы с атомами, валентные уровни которых содержат большее количество электронов, чем атомы базового вещества. Например, фосфор и висмут – это донорные примеси кремния.

Энергия, необходимая для прыжка электрона в область проводимости, носит название энергии активизации. Примесным полупроводникам необходимо намного меньше ее, чем основному веществу. При небольшом нагреве либо освещении освобождаются преимущественно электроны атомов примесных полупроводников. Место покинувшего атом электрона занимает дырка. Но рекомбинации электронов в дырки практически не происходит. Дырочная проводимость донора незначительна. Это происходит потому, что малое количество атомов примеси не позволяет свободным электронам часто приближаться к дырке и занимать её. Электроны находятся около дырок, но не способны их заполнить по причине недостаточного энергетического уровня.

Типы полупроводников

  Типы полупроводников, собственная проводимость

Незначительная добавка донорной примеси на несколько порядков увеличивает число электронов проводимости по сравнению с количеством свободных электронов в собственном полупроводнике. Электроны здесь – основные переносчики зарядов атомов примесных полупроводников. Эти вещества относят к полупроводникам n-типа.

Примеси, которые связывают электроны полупроводника, увеличивая в нём количество дырок, называют акцепторными. Акцепторными примесями служат химические элементы с меньшим числом электронов на валентном уровне, чем у базового полупроводника. Бор, галлий, индий – акцепторные примеси для кремния.

Одноэлементные полупроводники

Самым распространённым полупроводником является, конечно, кремний. Вместе с германием он стал прототипом широкого класса полупроводников, обладающих подобными структурами кристалла.

Структура кристаллов Si и Ge та же, что у алмаза и α-олова. В ней каждый атом окружают 4 ближайших атома, которые образуют тетраэдр. Такая координация называется четырехкратной. Кристаллы с тетрадрической связью стали базовыми для электронной промышленности и играют ключевую роль в современной технологии. Некоторые элементы V и VI группы таблицы Менделеева также являются полупроводниками. Примеры полупроводников этого типа – фосфор (Р), сера (S), селен (Se) и теллур (Те). В этих полупроводниках атомы могут иметь трехкратную (Р), двухкратную (S, Se, Те) или четырехкратную координацию. В результате подобные элементы могут существовать в нескольких различных кристаллических структурах, а также быть получены в виде стекла. Например, Se выращивался в моноклинной и тригональной кристаллических структурах или в виде стекла (которое можно также считать полимером).

Типы полупроводников

  Типы полупроводников, кремний 
  • Алмаз обладает отличной термической проводимостью, превосходными механическими и оптическими характеристиками, высокой механической прочностью. Ширина энергетического разрыва — dE = 5,47 эВ.
  • Кремний – полупроводник, используемый в солнечных батареях, а в аморфной форме – в тонкоплёночных солнечных батареях. Является наиболее используемым полупроводником в фотоэлементах, прост в производстве, обладает хорошими электрическими и механическими качествами. dE = 1,12 эВ.
  • Германий – полупроводник, используемый в гамма-спектроскопии, высокоэффективных фотоэлементах. Использовался в первых диодах и транзисторах. Требует меньше очистки, чем кремний. dE = 0,67 эВ.
  • Селен – полупроводник, который применяется в селеновых выпрямителях, обладающих высокой радиационной устойчивостью и способностью к самовосстановлению.

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.

Типы полупроводников

  Типы полупроводников, полупроводниковые материалы
  • GaAs, арсенид галлия – второй по востребованности после кремния полупроводник, обычно используемый в качестве подложки для других проводников, например, GaInNAs и InGaAs, в ИК-сетодиодах, высокочастотных микросхемах и транзисторах, высокоэффективных фотоэлементах, лазерных диодах, детекторах ядерного излечения. dE = 1,43 эВ, что позволяет повысить мощность приборов по сравнению с кремнием. Хрупок, содержит больше примесей, сложен в изготовлении.
  • ZnS, сульфид цинка – цинковая соль сероводородной кислоты с диапазоном запрещённой зоны 3,54 и 3,91 эВ, используется в лазерах и в качестве люминофора.
  • SnS, сульфид олова – полупроводник, используемый в фоторезисторах и фотодиодах, dE= 1,3 и 10 эВ.

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.

Слоистые кристаллы

Двойные соединения, подобные дииодиду свинца, селениду галлия и дисульфиду молибдена, отличаются слоистым строением кристалла. В слоях действуют ковалентные связи значительной силы, намного сильнее ван-дер-ваальсовских связей между самими слоями. Полупроводники такого типа интересны тем, что электроны ведут себя в слоях квази-двумерно. Взаимодействие слоёв изменяется введением сторонних атомов – интеркаляцией.

Типы полупроводников

  Типы полупроводников, слоистые кристаллы

MoS2, дисульфид молибдена применяется в высокочастотных детекторах, выпрямителях, мемристорах, транзисторах. dE=1,23 и 1,8 эВ.

Органические полупроводники

Примеры полупроводников на основе органических соединений – нафталин, полиацетилен (Ch3)n, антрацен, полидиацетилен, фталоцианиды, поливинилкарбазол. Органические полупроводники обладают преимуществом перед неорганическими: им легко придавать нужные качества. Вещества с сопряжёнными связями вида –С=С–С=, обладают значительной оптической нелинейностью и, благодаря этому, применяются в оптоэлектронике. Кроме того, зоны энергетического разрыва органических полупроводников изменяются изменением формулы соединения, что намного легче, чем у обычных полупроводников. Кристаллические аллотропы углерода фуллерен, графен, нанотрубки – тоже полупроводниками.

  • Фуллерен имеет структуру в виде выпуклого замкнутого многогранника из чётного количества атомов углеорода. А легирование фуллерена С60 щелочным металлом превращает его в сверхпроводник.
  • Графен образован одноатомным слоем углерода, соединённого в двумерную гексагональную решётку. Обладает рекордной теплопроводностью и подвижностью электронов, высокой жёсткостью
  • Нанотрубки представляют собой свернутые в трубку пластины графита, имеющие несколько нанометров в диаметре. Эти формы углерода имеют большую перспективу в наноэлектронике. В зависимости от сцепления могут проявлять металлические или полупроводниковые качества.

Магнитные полупроводники

Соединения с магнитными ионами европия и марганца обладают любопытными магнитными и полупроводниковыми свойствами. Примеры полупроводников этого типа – сульфид европия, селенид европия и твёрдые растворы, подобные Cd1-x­MnxTe. Содержание магнитных ионов влияет на то, как в веществах проявляются такие магнитные свойства, как антиферромагнетизм и ферромагнетизм. Полумагнитные полупроводники – это твёрдые магнитные растворы полупроводников, которые содержат магнитные ионы в небольшой концентрации. Такие твёрдые растворы обращают на себя внимание своей перспективностью и большим потенциалом возможных применений. Например, в отличие от немагнитных полупроводников, в них можно достигнуть в миллион раз большего фарадеевского вращения.

Сильные магнитооптические эффекты магнитных полупроводников позволяют использовать их для оптической модуляции. Перовскиты, подобные Mn0,7Ca0,3O3, своими свойствами превосходят переход металл-полупроводник, прямая зависимость которого от магнитного поля имеет следствием явление гигантской магнето-резистивности. Применяются в радиотехнических, оптических приборах, которые управляются магнитным полем, в волноводах СВЧ-устройств.

Разнообразие полупроводниковых материалов

Помимо упомянутых выше полупроводниковых веществ, есть много других, которые не попадают ни под один из перечисленных типов. Соединения элементов по формуле 1-3-52 (AgGaS2) и 2-4-52 (ZnSiP2) образуют кристаллы в структуре халькопирита. Связи соединений тетраэдрические, аналогично полупроводникам 3–5 и 2–6 групп с кристаллической структурой цинковой обманки. Соединения, которые образуют элементы полупроводников 5 и 6 групп (подобно As2Se3), – полупроводниковые в форме кристалла или стекла. Халькогениды висмута и сурьмы используются в полупроводниковых термоэлектрических генераторах. Свойства полупроводников этого типа чрезвычайно интересны, но они не обрели популярность по причине ограниченного применения. Однако то, что они существуют, подтверждает наличие ещё до конца не исследованных областей физики полупроводников.

Видео, типы полупроводников

 

Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!

[wysija_form id=»1″]

Свойства полупроводниковых материалов: применение полупроводников

Полупроводники это вещества, которые обладают промежуточными свойствами проводников и диэлектриков в отношении удельной проводимости. Сопротивление полупроводников характеризуется следующими особенностями:

  • Сильная выраженная зависимость от количества и состава примесей в веществе;
  • Повышение температуры вызывает уменьшение сопротивления.

Полупроводниковые элементы

Полупроводниковые элементы

Важно! При температуре, стремящейся к абсолютному нулю, все полупроводники становятся диэлектриками.

Механизм электрической проводимости

Проводимость таких материалов, как полупроводники, имеет иной характер, чем у обычных проводников. Главное условие возникновения тока в материалах – наличие достаточного количества свободных электронов. Кристаллическая структура полупроводниковых материалов характеризуется ковалентными химическими связями, когда каждый электрон ядра связан с двумя рядом стоящими атомами.

Электроны веществ участвуют в переносе заряда при получении некоторой энергии. Работа энергии для полупроводников имеет значение порядка единиц электрон-вольт (эВ). У проводников это значение меньше, у диэлектриков, соответственно, больше.

Дырка

Важная особенность рассматриваемых материалов – они могут обладать особым типом проводимости – дырочной. В электронной оболочке атома в момент отрыва и ухода электрона образуется свободное место, которое принято именовать дыркой. Соответственно, дырка имеет положительный заряд, направление движения противоположно потоку электронов.

Обратите внимание! Подвижность электронов выше, чем у дырок.

Электронная и дырочная проводимость

Электронная и дырочная проводимость

Энергетические зоны

Все вещества характеризуются энергетическими зонами электронов оболочки атома. Таких зон три:

  • Зона проводимости;
  • Запрещенная зона;
  • Зона валентности.

Название запрещенной зоны говорит о том, что электрон находиться в ней не может. Поэтому для возникновения тока электрон должен переместиться в зону проводимости из стабильной валентной зоны. Чем шире запрещенная зона, тем свойства материала приближаются к диэлектрикам.

Энергетические зоны

Энергетические зоны

Подвижность

При воздействии электрического поля в материалах начинается движение носителей заряда. В рассматриваемом случае это электроны и дырки. Зависимость между скоростью движения и величиной напряженности электрического поля при отсутствии влияния нагрева называется подвижностью. Рост числа взаимных столкновений является причиной того, что при увеличении концентрации подвижность падает.

Собственная плотность

Наличие запрещенной зоны не служит препятствием к образованию собственных носителей заряда. Плотность электронов и дырок определяется сложной зависимостью, которая показывает, что собственная плотность заряженных частиц растет при увеличении температуры.

Виды полупроводников

Множество веществ, к которым можно отнести полупроводники, классифицируется по величине и характеру проводимости.

По характеру проводимости

В силу того, используется чистое вещество либо, в которое внесены примеси, проводимость может иметь различный характер.

Собственная проводимость

В силу разных причин в чистых материалах могут появляться свободные электроны и дырки. В результате образуется собственная проводимость.

Важно! Собственная проводимость характеризуется равной концентрацией дырок и электронов.

Собственная проводимость германия

Собственная проводимость германия

Примесная проводимость

Большая часть полупроводников, образованных четырехвалентными атомами, имеет собственную проводимость. При целенаправленном внесении примесей веществ третьей или пятой валентности получаются кристаллы, обладающие примесной проводимостью, в которых количество дырок и электронов прямо зависит от типа и количества примесных атомов на единицу объема чистого вещества.

По виду проводимости

Выше было рассмотрено, что в полупроводниках в процессе переноса заряда участвуют не только «традиционные» электроны, но и условные положительные заряды – дырки. Поэтому полупроводниковые материалы имеют два типа проводимости.

Электронные полупроводники (n-типа)

Присутствие в четырехвалентном веществе пятивалентной примеси приводит к тому, что пятый электрон примеси вынужден переместиться на более высокую орбиту, в результате чего на его освобождение требуется небольшое количество энергии.

Такие примесные полупроводники называют веществами n-типа, от слова «negative» – отрицательный. Примеси в данном случае называют донорными, так как они способствуют появлению в веществе свободных электронов.

Дырочные полупроводники (р-типа)

При добавлении трехвалентной примеси возникает противоположная ситуация, когда в кристаллической решетке четырехвалентного материала примесь забирает недостающий электрон, а в основном веществе образуется дырка. Такие примеси именуют акцепторными, а примесный полупроводник, соответственно, называется p-типа, поскольку «positive» – положительный.

Использование в радиотехнике

Каждый специалист, техник, обладающий познаниями в электронике, знает, что абсолютно вся современная электроника основана на применении полупроводниковых элементов. Любой аналоговый или цифровой (дискретный) прибор имеет в своей основе схемы, построенные с применением диодов и транзисторов.

Полупроводниковый диод

Одно из первых устройств, использующих свойства полупроводимости, – это полупроводниковый диод. Конструкция заключается в соединении пары полупроводников с разными типами проводимости.

В результате физических процессов движения электронов и дырок на границе веществ возникает электрическое поле, и образуется так называемый p-n переход.

P-n переход

P-n переход

P-n переход обладает свойством односторонней проводимости, то есть ток через диод возникает только при подключении p-области (анода) к полюсу источника напряжения, а n-области (катода) – к минусу.

Вольт-амперная характеристика диода

Вольт-амперная характеристика диода

В обратной полярности ток также имеется, но его величина, по сравнению с прямым, намного меньше. Стабилитрон – вид диода, основная область его работы находится на обратной ветви характеристики. Параметр p-n перехода подобран таким образом, что в узкой области обратного тока напряжение на стабилитроне практически не меняется.

Первый диод – детектор, использовался еще в то время, когда теория полупроводников находилась в зачаточном состоянии.

Разнообразные диоды

Разнообразные диоды

Транзистор

Транзистор, или, как раннее его называли, триод, имеет две области из материала с одинаковой проводимостью и тонкую область полупроводника с другой. Принцип работы транзистора заключается в том, что малый ток в тонкой области, называемой базой, может управлять гораздо большим током через другие области, соответственно, коллектор и эмиттер.

В зависимости от схемы включения, транзистор может иметь различное назначение: как усилительный, генераторный и преобразовательный полупроводниковый элемент.

Применение полупроводников не ограничивается вышеперечисленными областями. Существуют изделия с тремя и более p-n переходами или вообще без них. Варистор – резистор с сопротивлением, зависящим от величины протекающего тока, тоже полупроводниковый элемент.

Виды транзисторов

Виды транзисторов

Типы полупроводников в периодической системе элементов

В периодической таблице химэлементов полупроводники сосредоточены в периодах со 2-го по 6-й. Их делят на такие типы:

  • Одноэлементные. Собственный полупроводник обычно принадлежит IV группе, реже используются элементы из других групп;
  • Сложные – двух и более элементные.

Обратите внимание! Свойства полупроводниковых материалов характеризуются тем, что при увеличении номера группы ширина запрещенной зоны уменьшается.

Физические свойства и применение

Сильная зависимость собственной проводимости от значения температуры является основным физическим свойством полупроводников. Главным образом это выражается тем, что при температуре, близкой к абсолютному нулю, наблюдается полное отсутствие свободных носителей.

Некоторые вещества обладают оптическими свойствами. К примеру, простой чистый кремний используется в производстве солнечных батарей, сложные соединения, в особенности, арсенид галлия, применяются для изготовления светодиодов. Полупроводниковый лазер имеет малые габариты и высокие технические параметры, что позволило воплотить в жизнь оптоволоконные средства коммуникации.

Полупроводниковый лазер

Полупроводниковый лазер

Легирование

Характеристика полупроводника в сильной степени зависит от его чистоты. Выращивая в особых условиях сверхчистые монокристаллы вещества, необходимые свойства придают при помощи легирования (введения в состав донорных или акцепторных примесей).

Методы получения

Для выращивания монокристаллов высокой чистоты используют два метода:

  • Метод Чохральского, при котором монокристалл выращивают из расплава вещества;
  • Зонная плавка, когда очистка образца производится путем расплавления небольшого участка с постепенным продвижением зоны расплава подвижной индукционной катушкой.

Также физики используют методики химического и физического осаждения, которые позволяют создавать тонкие слои вещества вплоть до слоев в одну молекулу толщиной.

Зонная плавка

Зонная плавка

Оптика полупроводников

Многие полупроводники обладают оптическими свойствами, в частности, фотопроводимостью, то есть свойством изменения электрического сопротивления под воздействием электромагнитного излучения.

В оптоэлектронике наиболее часто используются такие материалы, которые поглощают излучение в том случае, когда ширина запрещенной зоны меньше энергии кванта. Основной материал оптоэлектроники – арсенид галлия.

Список полупроводников

Полупроводники примеры которых будут рассмотрены ниже, нашли самое широкое распространение. Группы обозначаются буквами с указанием валентности. Первый материал обозначается буквой «А», второй – буквой «В». Для упрощения буквенные символы иногда опускают, оставляя только валентное число. Далее приведен краткий перечень распространенных материалов.

Группа IV

  • Германий;
  • Кремний;
  • Карбид кремния.

Группа III-V

Арсенид, фосфид, нитрид индия и галлия. Также сюда входит трехкомпонентный полупроводник арсенид галлия-индия.

Группа II-VI

Селенид, сульфид, теллурид цинка и кадмия.

Группа I-VII

Единственное вещество – хлорид мели.

Группа IV-VI

Сульфид, теллурид свинца и олова.

Группа V-VI

Висмута теллурид.

Группа II-V

  • Фосфид цинка;
  • Антимонид олова.

Другие

  • Сульфид олова;
  • Оксид меди;
  • Железный оксид.

Органические полупроводники

Некоторые органические соединения также обладают полупроводниковыми свойствами:

  • Органические красители;
  • Ароматические соединения;
  • Полимеры;
  • Пигменты.

Магнитные полупроводники

Некоторые полупроводниковые материалы обладают свойствами ферромагнетиков, что позволяет создавать устройства с новыми областями применения.

Прошло то время, когда полупроводниковая техника была дорога и нетехнологична, по сравнению с электровакуумным оборудованием. В настоящее время вся электро,- и радиотехника базируется на монолитных полупроводниковых компонентах. Такие устройства имеют высокую надежность и стабильность параметров.

Видео

Технологии полупроводников. Часть 1 — Ferra.ru

В результате для полупроводников возникает ситуация, когда электроны кремния, расположенного рядом с диоксидом кремния, имеют больше шансов быть делокализованным. Это проявляется в изгибе зон, который можно увидеть на картинке выше. Это приводит к повышению вероятности того, что электроны смогут преодолеть расстояние между зонами валентности и проводимости.

С ростом плотности электронов изгиб зон уменьшается. Эффект изгиба зон уменьшается до тех пор, пока не исчезает совсем. В точке, где эффект прекращает действовать, заканчивается и созданный канал. При этом из-за большого количества свободных электронов создается инверсионный слой. В случае с NMOS-транзистором в инверсионном слое подложка p-типа становится подложкой n-типа. Теперь, если к затвору приложить положительное напряжение, то он позволит пропустить ток от стока к истоку. PMOS-транзистор работает ровным счетом наоборот: если приложить к затвору отрицательное напряжение, то он начнет пропускать ток от истока к стоку.

CMOS логика

Разобравшись с принципом работы транзистора, переходим к следующему вопросу: как же имплементировать логические операции с помощью таких затворов? На самом деле, трудно представить связь между протеканием тока и теми инструкциями, которые можно увидеть в программном коде. Существует далеко не один метод для реализации логики, однако сегодня мы остановимся на самом распространенном из них — CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor), или КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник).

Почему же CMOS стал столь популярным? Причина кроется в энергоэффективности метода. CMOS затрачивает значительное количество энергии только во время переключений, в то время как другие методы имплементации логики потребляют достаточно много энергии вне зависимости от состояния.

Однако прежде чем перейти к рассказу о CMOS, необходимо сказать несколько слов о булевой логике. Если не углубляться в подробности, то ее суть заключается в том, что любое выражение можно свести к последовательности простейших логических операций. Этими операциями являются «И» (конъюнкция), «ИЛИ» (дизъюнкция) и «НЕ» (отрицание). Именно они составляют основу всех функций, которые поддерживаются современными вычислительными устройствами.

Нужно отметить, что CMOS состоит исключительно из MOSFET-транзисторов p- и n-типа и не имеют в своей архитектуре резисторов. Поэтому существуют определенные требования, которые позволяют заимплементировать всевозможные логические вентили. Таких требований всего два:

  • Все PMOS-транзисторы должны иметь на входе источник напряжения или другой PMOS-транзистор.
  • Все NMOS-транзисторы должны иметь на входе землю или другой NMOS-транзистор

Рассмотрим эти требования на примере логического вентиля отрицания. Для его реализации требуется один NMOS- и один PMOS-транзистор. В такой конструкции PMOS-транзистор подсоединен к источнику напряжения, а NMOS — к земле. Схему вентиля отрицания можно увидеть ниже.

ПОЛУПРОВОДНИКИ • Большая российская энциклопедия

ПОЛУПРОВОДНИКИ́, ве­ще­ст­ва, ха­рак­те­ри­зую­щие­ся элек­трич. про­во­ди­мо­стью $σ$, про­ме­жу­точ­ной ме­ж­ду про­во­ди­мо­стью хо­ро­ших про­вод­ни­ков, напр. ме­тал­лов ($σ≈10^4-10^6$ Ом–1·см–1), и хо­ро­ших ди­элек­три­ков ($σ≈10^{–12}-10^{–10}$ Ом–1·см–1) (про­во­ди­мость ука­за­на при ком­нат­ной темп-ре). Ха­рак­тер­ной осо­бен­но­стью П. яв­ля­ет­ся силь­ная за­ви­си­мость их про­во­ди­мо­сти от темп-ры, при­чём в дос­та­точ­но ши­ро­ком ин­тер­ва­ле темпе­ра­тур про­во­ди­мость П., в от­ли­чие от ме­тал­лов, экс­по­нен­ци­аль­но уве­ли­чи­ва­ет­ся с рос­том темп-ры $T$: $$σ=σ_0\exp(–ℰ_a/kT).\tag{*}$$ Здесь $k$ – по­сто­ян­ная Больц­ма­на, $ℰ_a$ – энер­гия ак­ти­ва­ции элек­тро­нов в П., ко­то­рая мо­жет ме­нять­ся от не­сколь­ких мэВ до не­сколь­ких эВ, $σ_0$ – ко­эф. про­пор­цио­наль­но­сти, ко­то­рый так­же за­ви­сит от темп-ры, но эта за­ви­си­мость бо­лее сла­бая, чем экс­по­нен­ци­аль­ная. С по­вы­ше­ни­ем темп-ры те­п­ло­вое дви­же­ние раз­ры­ва­ет часть хи­мич. свя­зей в ато­мах П. и элек­тро­ны, чис­ло ко­то­рых про­пор­цио­наль­но $\exp(–ℰ_a/kT)$, ста­но­вят­ся сво­бод­ны­ми и уча­ст­ву­ют в элек­трич. про­во­ди­мо­сти. Энер­гия, не­об­хо­ди­мая для то­го, что­бы ра­зо­рвать хи­мич. связь и сде­лать ва­лент­ный элек­трон сво­бод­ным, на­зы­ва­ет­ся энер­ги­ей ак­ти­ва­ции.

П. и ди­элек­три­ки от­но­сят к од­но­му клас­су ма­те­риа­лов; раз­ли­чие ме­ж­ду ни­ми яв­ля­ет­ся ско­рее ко­ли­че­ст­вен­ным, чем ка­че­ст­вен­ным. Про­во­ди­мость ди­элек­три­ков так­же име­ет ак­ти­ва­ци­он­ный ха­рак­тер, од­на­ко $ℰ_a$ для них со­став­ля­ет 10 эВ и бо­лее, по­это­му собств. про­во­ди­мость ди­элек­три­ков мог­ла бы стать су­ще­ст­вен­ной толь­ко при очень вы­со­ких темп-рах, при ко­то­рых уже на­сту­па­ют струк­тур­ные из­ме­не­ния ве­ще­ст­ва. В свя­зи с этим тер­мин «П.» час­то по­ни­ма­ют в уз­ком смыс­ле как со­во­куп­ность ве­ществ, по­лу­про­вод­ни­ко­вые свой­ст­ва ко­то­рых яр­ко вы­ра­же­ны при ком­нат­ной темп-ре (300 К).

Хи­мич. свя­зи мо­гут быть ра­зо­рва­ны не толь­ко те­п­ло­вым дви­же­ни­ем, но и разл. внеш­ни­ми воз­дей­ст­вия­ми: элек­тро­маг­нит­ным из­лу­че­ни­ем, по­то­ком бы­ст­рых час­тиц, де­фор­ма­ци­ей, силь­ным элек­т­рич. и маг­нит­ным по­ля­ми и др. По­это­му для П. ха­рак­тер­на вы­со­кая чув­ст­ви­тель­ность про­во­ди­мо­сти к внеш­ним воз­дей­ст­ви­ям, а так­же к кон­цен­тра­ции струк­тур­ных де­фек­тов и при­ме­сей.

Классификация полупроводников

По аг­ре­гат­но­му со­стоя­нию П. де­лят­ся на твёр­дые и жид­кие (см. Жид­кие по­лу­про­вод­ни­ки), по внутр. струк­ту­ре – на кри­стал­лич. и аморф­ные (см. Аморф­ные и стек­ло­об­раз­ные по­лу­про­вод­ни­ки), по хи­мич. со­ста­ву – на не­ор­га­ни­че­ские и ор­га­ни­че­ские. Наи­бо­лее ши­ро­ко изу­че­ны и ис­поль­зу­ют­ся в по­лу­про­вод­ни­ко­вой элек­тро­ни­ке кри­стал­лич. не­ор­га­нич. П. К ним от­но­сят­ся:

– эле­мен­тар­ные П. – эле­мен­ты IV груп­пы ко­рот­кой фор­мы пе­рио­дич. сис­те­мы хи­мич. эле­мен­тов – уг­ле­род С (гра­фит, ал­маз, гра­фен, на­нот­руб­ки), гер­ма­ний Ge и крем­ний Si (ба­зо­вый эле­мент боль­шин­ст­ва ин­те­граль­ных схем в мик­ро­элек­тро­ни­ке), эле­мен­ты VI груп­пы – се­лен Se и тел­лур Te, а так­же их со­едине­ния, напр. кар­бид крем­ния SiC, об­ра­зую­щий слои­стые струк­ту­ры, и не­пре­рыв­ный ряд твёр­дых рас­тво­ров SixGe1–x;

– со­еди­не­ния AIIIBV, где А=Al, Ga, In; В=N, Р, As, Sb, напр. GaAs, AlAs, InAs, InSb, GaN, GaP и др.

– со­еди­не­ния AIIBVI, где А=Zn, Cd, Hg; B=S, Se, Te, напр. ZnTe, ZnSe, ZnO, ZnS, CdTe, CdS, HgTe и др.;

– со­еди­не­ния эле­мен­тов I и V групп с эле­мен­та­ми VI груп­пы, напр. PbS, PbSe, PbTe, Bi2Se3, Bi2Te3,Cu2O и др.;

– трой­ные и чет­вер­ные твёр­дые рас­т­во­ры на ос­но­ве со­еди­не­ний A III B V и A II B VI , напр. GaxAl1–xAs, GaxAl1–xN, CdxHg1–xTe, CdxMn1–xTe, GaxIn1–xAsyP1–y и др.

При­ме­ры аморф­ных и стек­ло­об­раз­ных П.: аморф­ный гид­ри­ро­ван­ный крем­ний a-Si:H, аморф­ные Ge, Se, Te, мно­го­ком­по­нент­ные стек­ло­об­раз­ные спла­вы халь­ко­ге­ни­дов на ос­но­ве S, Se, Te.

К ор­га­ни­че­ским П. от­но­сят­ся: ряд ор­га­нич. кра­си­те­лей, аро­ма­тич. со­еди­не­ния (наф­та­лин, ан­тра­цен и др.), по­ли­ме­ры с со­пря­жён­ны­ми свя­зя­ми, не­ко­то­рые при­род­ные пиг­мен­ты. Ор­га­нич. П. су­ще­ст­ву­ют в ви­де мо­но­кри­стал­лов, по­ли­кри­стал­лич. или аморф­ных по­рош­ков и плё­нок. Дос­то­ин­ст­во ор­га­нич. П. – от­но­сит. де­ше­виз­на их про­из-ва и ме­ха­нич. гиб­кость. Они при­ме­ня­ют­ся как све­то­чув­ст­вит. ма­те­риа­лы для фо­то­эле­мен­тов и ПЗС-мат­риц; на их ос­нове соз­да­ны све­то­из­лу­чаю­щие дио­ды, в т. ч. для гиб­ких эк­ра­нов и мо­ни­то­ров.

Боль­шин­ст­во изу­чен­ных П. на­хо­дят­ся в кри­стал­лич. со­стоя­нии. Свой­ст­ва та­ких П. в зна­чит. ме­ре оп­ре­де­ля­ют­ся их хи­мич. со­ста­вом и сим­мет­ри­ей кри­с­тал­лич. ре­шёт­ки. Ато­мы крем­ния, об­ла­дая че­тырь­мя ва­лент­ны­ми элек­тро­на­ми, об­ра­зу­ют ку­бич. кри­стал­лич. ре­шёт­ку ти­па ал­ма­за с ко­ва­лент­ной свя­зью ато­мов (кри­стал­ло­гра­фич. класс $m\bar 3m$, или $O_h$). Та­кую же кри­стал­лич. ре­шёт­ку име­ют гер­ма­ний и се­рое оло­во. В GaAs ка­ж­дый атом об­ра­зу­ет 4 ва­лент­ные свя­зи с бли­жай­ши­ми со­се­дя­ми, в ре­зуль­та­те че­го по­лу­ча­ет­ся кри­стал­лич. ре­шёт­ка, по­доб­ная ре­шёт­ке ал­ма­за, в ко­то­рой бли­жай­ши­ми со­се­дя­ми ка­тио­на Ga яв­ля­ют­ся анио­ны As и на­обо­рот. За счёт час­тич­но­го пе­ре­рас­пре­де­ле­ния элек­тро­нов ато­мы Ga и As ока­зы­ва­ют­ся раз­но­имён­но за­ря­жен­ны­ми и свя­зи ме­ж­ду ато­ма­ми ста­но­вят­ся час­тич­но ион­ны­ми. Кри­стал­лич. ре­шёт­ка GaAs не об­ла­да­ет цен­тром ин­вер­сии, по­это­му в та­ких П. воз­ни­ка­ют эф­фек­ты, от­сут­ст­вую­щие в цен­тро­сим­мет­рич­ных по­лу­про­вод­ни­ко­вых струк­ту­рах, напр. пье­зо­элек­три­че­ст­во (см. Пье­зо­элек­три­ки), ге­не­ра­ция 2-й оп­тич. гар­мо­ни­ки, фо­то­галь­ва­ни­че­ские эф­фек­ты. Струк­ту­рой, по­доб­ной ар­се­ни­ду гал­лия, об­ла­да­ют InAs, InP, ZnTe, ZnSe и др.

Чис­тые и струк­тур­но со­вер­шен­ные П. по­лу­ча­ют в ре­зуль­та­те кри­стал­ли­за­ции из рас­пла­ва или рас­тво­ра. Для соз­да­ния тон­ких по­лу­про­вод­ни­ко­вых плё­нок при­ме­ня­ют ме­тод эпи­так­сии из жид­кой или га­зо­вой фа­зы.

Электроны и дырки в полупроводниках

В твёр­дом те­ле вол­но­вые функ­ции ва­лент­ных элек­тро­нов со­сед­них ато­мов пе­ре­кры­ва­ют­ся, их ва­лент­ные элек­тро­ны обоб­ще­ст­в­ля­ют­ся и воз­ни­ка­ет ус­той­чи­вая хи­мич. (ко­ва­лент­ная) связь. На ка­ж­дую связь ме­ж­ду ато­ма­ми при­хо­дит­ся по два элек­тро­на, и рас­пре­де­ле­ние элек­трон­ной плот­но­сти в про­стран­ст­ве ока­зы­ва­ет­ся жё­ст­ко фик­си­ро­ван­ным. Про­во­ди­мость П. по­яв­ля­ет­ся, ес­ли ра­зо­рвать свя­зи ме­ж­ду не­ко­то­ры­ми ато­ма­ми, напр., те­п­ло­вым или оп­тич. воз­дей­ст­ви­ем, пе­ре­дав не­боль­шой час­ти ва­лент­ных элек­тро­нов до­пол­нит. энер­гию и пе­ре­ве­дя их на ва­кант­ные (пус­тые) элек­трон­ные ор­би­та­ли, рас­по­ло­жен­ные вы­ше по энер­гии. Та­кие элек­т­ро­ны мо­гут сво­бод­но пе­ре­дви­гать­ся по кри­стал­лу, пе­ре­хо­дя с од­но­го ато­ма на дру­гой, и пе­ре­но­сить от­ри­цат. элек­трич. за­ряд. Ра­зо­рван­ная связь с не­дос­тат­ком элек­тро­на (дыр­ка) так­же мо­жет пе­ре­ме­щать­ся по кри­стал­лу за счёт пе­ре­хо­да на неё элек­тро­на из со­сед­ней свя­зи. По­сколь­ку ра­зо­рван­ная связь оз­на­ча­ет на­ли­чие ло­каль­но­го по­ло­жи­тель­но­го элек­трич. за­ря­да, дыр­ки пе­ре­но­сят по­ло­жи­тель­ный за­ряд. Дыр­ки, как и элек­тро­ны, мо­гут пе­ре­ме­щать­ся на зна­чит. рас­стоя­ния в пе­рио­дич. по­тен­циа­ле кри­стал­ла без рас­сея­ния.

В иде­аль­ных кри­стал­лах, не со­дер­жа­щих де­фек­тов и при­ме­сей, элек­тро­ны и дыр­ки все­гда по­яв­ля­ют­ся па́­ра­ми в си­лу со­хра­не­ния элек­трич. за­ря­да, од­на­ко под­виж­но­сти элек­тро­нов и ды­рок, как пра­ви­ло, раз­лич­ны. В ле­ги­ро­ван­ных П. кон­цен­тра­ции сво­бод­ных элек­тро­нов и ды­рок мо­гут раз­ли­чать­ся на неск. по­ряд­ков, так что элек­тро­про­вод­ность осу­ще­ст­в­ля­ет­ся прак­ти­че­ски пол­но­стью но­си­те­ля­ми за­ря­да од­но­го ти­па.

Чередование разрешённых и запрещённых энергетических зон в кристаллических полупроводниках. Заполнение разрешённых зон: (а) при абсолютном нуле температуры; (б) при отличной от нуля температуре. Чёрны…

По­сле­до­ва­тель­ное и стро­гое опи­са­ние со­стоя­ний но­си­те­лей за­ря­да и их дви­же­ния в кри­стал­лах мож­но сде­лать в рам­ках зон­ной тео­рии. Осн. со­стоя­ние крис­тал­ла при темп-ре 0 К фор­ми­ру­ет­ся за счёт по­сле­до­ва­тель­но­го за­пол­не­ния элек­тро­на­ми наи­низ­ших энер­ге­тич. со­стоя­ний. Со­глас­но прин­ци­пу Пау­ли, в ка­ж­дом со­стоя­нии с оп­ре­де­лён­ным зна­че­ни­ем спи­на мо­жет на­хо­дить­ся толь­ко один элек­трон. В за­ви­си­мо­сти от кри­стал­лич. струк­ту­ры и от чис­ла элек­тро­нов в ка­ж­дом из ато­мов, со­став­ляю­щих кри­сталл, воз­мож­ны два слу­чая: 1) элек­тро­ны пол­но­стью за­пол­ня­ют неск. ниж­них раз­ре­шён­ных зон, а все верх­ние зо­ны ос­та­ют­ся пус­ты­ми; 2) од­на из раз­ре­шён­ных зон за­пол­не­на час­тич­но. В пер­вом слу­чае рас­пре­де­ле­ние элек­трон­ной плот­но­сти в кри­стал­ле фик­си­ро­ва­но, элек­тро­ны не мо­гут уча­ст­во­вать в про­во­ди­мо­сти и кри­сталл яв­ля­ет­ся П. или ди­элек­три­ком. Во вто­ром слу­чае часть элек­тро­нов в пре­де­лах час­тич­но за­пол­нен­ной зо­ны мо­жет сво­бод­но пе­ре­ме­щать­ся по кри­стал­лу3 и крис­талл яв­ля­ет­ся ме­тал­лом. В П. и ди­элек­три­ках верх­няя пол­но­стью за­пол­нен­ная раз­ре­шён­ная зо­на энер­гий на­зы­ва­ет­ся ва­лент­ной зо­ной, ниж­няя пус­тая зо­на – зо­ной про­во­ди­мо­сти. Энер­ге­тич. ин­тер­вал ме­ж­ду дном (ми­ни­му­мом энер­гии) зо­ны про­во­ди­мо­сти и по­тол­ком (мак­си­му­мом энер­гии) ва­лент­ной зо­ны на­зы­ва­ет­ся ши­ри­ной за­пре­щён­ной зо­ны $ℰ_g$. Раз­ли­чие ме­ж­ду П. и ди­элек­три­ка­ми чис­то ко­ли­че­ст­вен­ное: ус­лов­но счи­та­ют, что ве­ще­ст­ва с $ℰ_g<2$ эВ яв­ля­ют­ся П., а с $ℰ_g>2$ эВ – ди­элек­три­ка­ми. При от­лич­ной от ну­ля темп-ре те­п­ло­вое дви­же­ние пе­ре­рас­пре­де­ля­ет элек­тро­ны по энер­гии: часть элек­тро­нов «за­бра­сы­ва­ет­ся» из ва­лент­ной зо­ны в зо­ну про­во­ди­мо­сти. При этом по­яв­ля­ют­ся сво­бод­ные но­си­те­ли за­ря­да – элек­тро­ны в зо­не про­во­ди­мо­сти и дыр­ки в ва­лент­ной зо­не (рис.). Ко­ли­че­ст­во сво­бод­ных элек­тро­нов и ды­рок экс­по­нен­ци­аль­но за­ви­сит от темп-ры, по­это­му тем­пе­ра­тур­ная за­ви­си­мость про­во­ди­мо­сти П. оп­ре­де­ля­ет­ся фор­му­лой ( * ).

В ши­ро­ком клас­се П. ши­ри­на энер­ге­тич. зон зна­чи­тель­но пре­вы­ша­ет те­п­ло­вую энер­гию при ком­нат­ной темп-ре (0,025 эВ), по­это­му но­си­те­ли за­ря­да за­пол­ня­ют со­стоя­ния толь­ко вбли­зи экс­тре­му­мов раз­ре­шён­ных зон, т. е. вбли­зи дна зо­ны про­во­ди­мо­сти и по­тол­ка ва­лент­ной зо­ны. За­ви­си­мость энер­гии от ква­зи­им­пуль­са вбли­зи экс­тре­му­ма час­то ока­зы­ва­ет­ся квад­ра­тич­ной, и мож­но вве­сти пред­став­ле­ние об эф­фек­тив­ной мас­се но­си­те­лей за­ря­да, ко­то­рая за­ви­сит от но­ме­ра раз­ре­шён­ной зо­ны и на­прав­ле­ния ква­зи­им­пуль­са. В не­ко­то­рых П. од­но­му зна­че­нию энер­гии от­ве­ча­ет неск. экс­тре­му­мов в пер­вой зо­не Брил­лю­эна и но­си­те­ли за­ря­да рас­пре­де­ле­ны по эк­ви­ва­лент­ным «до­ли­нам» (ок­ре­ст­но­стям экс­тре­му­мов). Та­кие П. на­зы­ва­ют мно­го­до­лин­ны­ми.

Примеси и дефекты в полупроводниках

Элек­трич. про­во­ди­мость П. мо­жет быть обу­слов­ле­на как элек­тро­на­ми соб­ственных ато­мов дан­но­го ве­ще­ст­ва (соб­ст­вен­ная про­во­ди­мость), так и элек­т­рона­ми и дыр­ка­ми при­мес­ных ато­мов (при­мес­ная про­во­ди­мость). Про­цесс вне­дре­ния при­ме­сей в П. для по­лу­че­ния не­об­хо­ди­мых фи­зич. свойств на­зы­ва­ет­ся ле­ги­ро­ва­ни­ем по­лу­про­вод­ни­ков. По­сколь­ку энер­гия свя­зи но­си­те­лей за­ря­да в при­мес­ных ато­мах со­став­ля­ет от не­сколь­ких мэВ до не­сколь­ких де­сят­ков мэВ, имен­но при­мес­ная про­во­ди­мость объ­яс­ня­ет экс­по­нен­ци­аль­ный рост кон­цен­тра­ции сво­бод­ных но­си­те­лей за­ря­да в боль­шин­ст­ве П. в ин­тер­ва­ле тем­пе­ра­тур вбли­зи ком­нат­ной.

При­ме­си в П. обыч­но вво­дят в про­цес­се рос­та струк­ту­ры, они мо­гут быть до­но­ра­ми или ак­цеп­то­ра­ми, т. е. по­став­щи­ка­ми элек­тро­нов или ды­рок. Ес­ли, напр., в гер­ма­ний Ge или крем­ний Si (эле­мен­ты IV груп­пы) вве­сти при­мес­ные ато­мы эле­мен­тов V груп­пы (As, P), то 4 внеш­них элек­тро­на этих ато­мов об­ра­зу­ют ус­той­чи­вую связь с че­тырь­мя со­сед­ни­ми ато­ма­ми ре­шёт­ки, а пя­тый элек­трон ока­жет­ся не­свя­зан­ным и бу­дет удер­жи­вать­ся око­ло при­мес­но­го ато­ма толь­ко за счёт ку­ло­нов­ско­го взаи­мо­дей­ст­вия, ос­лаб­лен­но­го ди­элек­трич. по­ля­ри­за­ци­ей сре­ды. Та­кой при­мес­ный атом яв­ля­ет­ся до­но­ром и лег­ко ио­ни­зу­ет­ся при ком­нат­ной темп-ре. Ак­цеп­тор воз­ни­ка­ет, напр., при вве­де­нии в Ge или Si эле­мен­тов III груп­пы (Ga, Al). В этом слу­чае для об­ра­зо­ва­ния всех че­ты­рёх свя­зей с бли­жай­ши­ми ато­ма­ми тре­бу­ет­ся до­пол­нит. элек­трон, ко­то­рый бе­рёт­ся из внутр. обо­ло­чек ато­мов, так что при­мес­ный атом ока­зы­ва­ет­ся за­ря­жен от­ри­ца­тель­но. Элек­тро­ней­траль­ность вос­ста­нав­ли­ва­ет­ся за счёт то­го, что внутр. не­за­пол­нен­ная ор­би­таль рас­пре­де­ля­ет­ся вбли­зи со­сед­них ато­мов ре­шёт­ки, рас­по­ло­жен­ных от при­мес­но­го на рас­стоя­ни­ях, пре­вос­хо­дя­щих меж­атом­ное рас­стоя­ние. На­ли­чие до­но­ров или ак­цеп­то­ров при­во­дит со­от­вет­ст­вен­но к про­во­ди­мо­сти n- или р-ти­па.

П., в ко­то­рых мо­гут од­но­вре­мен­но су­ще­ст­во­вать ак­цеп­тор­ные и до­нор­ные при­ме­си, на­зы­ва­ют­ся ком­пен­си­ро­ван­ны­ми. Ком­пен­са­ция при­ме­сей при­во­дит к то­му, что часть элек­тро­нов от до­но­ров пе­ре­хо­дит к ак­цеп­то­рам, и в ре­зуль­та­те воз­ни­ка­ет зна­чит. кон­цен­тра­ция ио­нов, ко­то­рые эф­фек­тив­но влия­ют на про­во­ди­мость по­лу­про­вод­ни­ков.

Ам­пли­ту­да вол­но­вой функ­ции элек­тро­нов или ды­рок, ло­ка­ли­зо­ван­ных на при­мес­ных ато­мах, со­став­ля­ет 1–10 нм. Это оз­на­ча­ет, что при кон­цен­тра­ции при­мес­ных ато­мов ок. 1018 см–3 вол­но­вые функ­ции элек­тро­нов и ды­рок со­сед­них ато­мов на­чи­на­ют пе­ре­кры­вать­ся, но­си­те­ли за­ря­да мо­гут пе­ре­хо­дить от ио­на к ио­ну и П. ста­но­вит­ся вы­ро­ж­ден­ным (см. Вы­ро­ж­ден­ные по­лу­про­вод­ни­ки). Та­кие П. на­зы­ва­ют­ся силь­но­ле­ги­ро­ва­ны­ми. Из-за силь­но­го эк­ра­ни­ро­ва­ния ку­ло­нов­ско­го при­тя­же­ния но­си­те­ли за­ря­да в них ока­зы­ва­ют­ся сво­бод­ны­ми да­же при та­ких низ­ких темп-рах, при ко­то­рых бы­ла не­воз­мож­на тер­мич. ак­ти­ва­ция элек­тро­на или дыр­ки из изо­ли­ро­ван­но­го ато­ма.

В от­сут­ст­вие внеш­не­го элек­трич. по­ля или ос­ве­ще­ния кон­цен­тра­ция сво­бод­ных но­си­те­лей за­ря­да на­зы­ва­ет­ся рав­но­вес­ной и оп­ре­де­ля­ет­ся ши­ри­ной за­пре­щён­ной зо­ны П., эф­фек­тив­ны­ми мас­са­ми но­си­те­лей за­ря­да, кон­цен­тра­ци­ей при­ме­сей и энер­ги­ей свя­зи при­мес­ных но­си­те­лей за­ря­да.

На­ря­ду с при­ме­ся­ми, ис­точ­ни­ка­ми но­си­те­лей за­ря­да мо­гут быть и разл. де­фек­ты струк­ту­ры, напр. ва­кан­сии (от­сут­ствие од­но­го из ато­мов ре­шёт­ки), ме­ж­узель­ные ато­мы, а так­же не­дос­та­ток или из­бы­ток ато­мов од­но­го из ком­по­нен­тов в по­лу­про­вод­ни­ко­вых со­еди­не­ни­ях (от­кло­не­ния от сте­хио­мет­рич. со­ста­ва).

Электрические свойства полупроводников

Во внеш­нем элек­трич. по­ле на но­си­те­ли за­ря­да в твёр­дом те­ле дей­ст­ву­ет си­ла, ко­то­рая из­ме­ня­ет их ско­рость и при­во­дит к на­прав­лен­но­му дви­же­нию. Под дей­ст­ви­ем си­лы но­си­те­ли за­ря­да долж­ны ус­ко­рять­ся, од­на­ко в кри­стал­лах вслед­ст­вие взаи­мо­дей­ст­вия элек­тронов с де­фек­та­ми, ко­ле­ба­ния­ми ре­шёт­ки и т. д. воз­ни­ка­ет си­ла тре­ния, ко­то­рая урав­но­ве­ши­ва­ет си­лу, дей­ст­вую­щую со сто­ро­ны по­ля. В ре­зуль­та­те но­си­те­ли за­ря­да дви­жут­ся с по­сто­ян­ной сред­ней (дрей­фо­вой) ско­ро­стью $v_{др}$, за­ви­ся­щей от на­пря­жён­но­сти $E$ элек­трич. по­ля. Мож­но вве­сти по­ня­тие под­виж­но­сти но­си­те­лей за­ря­да $μ=v_{др}/E$. Дей­ст­вие си­лы тре­ния оз­на­ча­ет, что в элек­трич. по­ле но­си­тель за­ря­да ис­пы­ты­ва­ет сво­бод­ное ус­ко­ре­ние толь­ко в про­ме­жут­ке вре­ме­ни $Δt$ ме­ж­ду дву­мя ак­та­ми рас­сея­ния, так что $v_{др}=eEτ/m$ ($m$ – эф­фек­тив­ная мас­са но­си­те­ля, $e$ – его за­ряд, $τ$ – вре­мя ре­лак­са­ции, за ко­то­рое сво­бод­ный но­си­тель за­ря­да в от­сут­ст­вие по­ля те­ря­ет свой на­прав­лен­ный ква­зи­им­пульс). Обыч­но $τ$ не за­ви­сит от ве­ли­чи­ны внеш­не­го по­ля и оп­ре­де­ля­ет­ся теп­ло­вым хао­тич. дви­же­ни­ем но­си­те­лей за­ря­да в твёр­дом те­ле, так что ско­рость те­п­ло­во­го дви­же­ния на неск. по­ряд­ков пре­вос­хо­дит $v_{др}$. Так, напр., для ти­пич­ных П. при $T=300$ К в весь­ма силь­ном элек­трич. по­ле ($E$=3·104 В/м) ско­рость $v_{др}$ со­став­ля­ет 10–100 м/с, а ве­ли­чи­на ср. те­п­ло­вой ско­ро­сти – 105–106 м/с.

Ве­ли­чи­ны $τ$ и $μ$ за­ви­сят от ти­па про­во­ди­мо­сти, хи­мич. со­ста­ва П., темп-ры, кон­цен­тра­ции де­фек­тов и при­ме­сей. При темп-рах ни­же темп-ры ки­пе­ния жид­ко­го азо­та (77 К) под­виж­ность $μ$ воз­рас­та­ет с рос­том темп-ры, а при темп-рах вы­ше 77 К – умень­ша­ет­ся, про­хо­дя че­рез мак­си­мум вбли­зи 100 К. Та­кая за­ви­си­мость $μ(T)$ объ­яс­ня­ет­ся на­ли­чи­ем двух осн. при­чин рас­сея­ния но­си­те­лей за­ря­да – на за­ря­жен­ных при­ме­сях и фо­но­нах. При низ­ких темп-рах, ко­гда при­мес­ные ато­мы ио­ни­зо­ва­ны, рас­сея­ние на них пре­вос­хо­дит рас­сея­ние на фо­но­нах, по­сколь­ку рав­но­вес­ных фо­но­нов ма­ло. С уве­ли­че­ни­ем темп-ры ср. энер­гия но­си­те­лей воз­рас­та­ет, эф­фек­тив­ность рас­сея­ния умень­ша­ет­ся, вре­мя ме­ж­ду столк­но­ве­ния­ми и под­виж­ность воз­рас­та­ют. При темп-рах ок. 100 К рез­ко воз­рас­та­ет кон­цен­тра­ция рав­но­вес­ных фо­но­нов и взаи­мо­дей­ст­вие с ни­ми ог­ра­ни­чи­ва­ет под­виж­ность, вслед­ст­вие это­го с уве­ли­че­ни­ем темп-ры под­виж­ность умень­ша­ет­ся. При $T$=300 К ха­рак­тер­ные зна­че­ния $τ$ для П. ле­жат в ин­тер­ва­ле 10–13–10–12 с, а $μ$  – в ин­тер­ва­ле 102–10–2 м/с. При мень­ших зна­че­ни­ях под­виж­но­сти дли­на сво­бод­но­го про­бе­га (про­из­ве­де­ние ср. ско­ро­сти теп­ло­во­го дви­же­ния на вре­мя $τ$) ста­но­вит­ся мень­ше рас­стоя­ния ме­ж­ду ато­ма­ми и го­во­рить о сво­бод­ном дви­же­нии но­си­те­лей за­ря­да нель­зя. Воз­ни­ка­ет прыж­ко­вая про­во­ди­мость, ко­то­рая обу­слов­ле­на пе­ре­ско­ка­ми но­си­те­лей за­ря­да в про­стран­ст­ве от од­но­го ио­на к дру­го­му (реа­ли­зу­ет­ся в ор­га­ни­че­ских по­лу­про­вод­ни­ках).

На­прав­лен­но­му дви­же­нию но­си­те­лей за­ря­да во внеш­нем элек­трич. по­ле пре­пят­ст­ву­ет их те­п­ло­вое хао­тич. дви­же­ние. Ес­ли в ре­зуль­та­те при­ло­же­ния элек­т­рич. по­ля но­си­те­ли со­би­ра­ют­ся у гра­ни­цы об­раз­ца и их кон­цен­тра­ция за­ви­сит от ко­ор­ди­нат, то хао­тич. дви­же­ние при­во­дит к вы­рав­ни­ва­нию кон­цен­тра­ции и но­си­те­ли пе­ре­хо­дят из об­лас­ти про­ст­ран­ст­ва с боль­шей кон­цен­тра­ци­ей в об­ласть, где их кон­цен­тра­ция мень­ше. Та­кой про­цесс на­зы­ва­ет­ся диф­фу­зи­ей но­си­те­лей за­ря­да и оп­ре­де­ля­ет­ся ко­эф. диф­фу­зии $D$. В ус­ло­ви­ях рав­но­ве­сия пол­ный по­ток но­си­те­лей за­ря­да от­сут­ст­ву­ет, так что диф­фу­зи­он­ный по­ток пол­но­стью ком­пен­си­ру­ет по­ток час­тиц во внеш­нем по­ле. Это оз­на­ча­ет, что ко­эф. диф­фу­зии свя­зан с под­виж­но­стью. Для не­вы­ро­ж­ден­ных но­си­те­лей $D=kTμ/e$ (со­от­но­ше­ние Эйн­штей­на). Для ти­пич­ных П. при ком­нат­ной темп-ре ве­ли­чи­на $D$ со­став­ля­ет 10–3–10–2 м2/с. Для не­рав­но­вес­ных но­си­те­лей за­ря­да, напр. в слу­чае ин­жек­ции в элек­трон­но-ды­роч­ном пе­ре­хо­де (см. p–n-Пе­ре­ход), вво­дит­ся по­ня­тие диф­фу­зи­он­ной дли­ны $L_D$, ко­то­рая оп­ре­де­ля­ет умень­ше­ние чис­ла но­си­те­лей в про­цес­се диф­фу­зии за счёт их реком­би­на­ции: $L_D=\sqrt{D\tau_0}$, где $τ_0$ – вре­мя жиз­ни не­ос­нов­ных но­си­те­лей.

На­ло­же­ние внеш­не­го маг­нит­но­го по­ля из­ме­ня­ет ус­ло­вия про­те­ка­ния элек­трич. то­ка в П. и при­во­дит к галь­ва­но­маг­нит­ным яв­ле­ни­ям, ко­то­рые наи­бо­лее силь­но про­яв­ля­ют­ся в маг­нит­ных по­лу­про­вод­ни­ках и по­лу­маг­нит­ных по­лу­про­вод­ни­ках. В П. для ис­сле­до­ва­ний и прак­тич. при­ме­не­ний наи­бо­лее час­то маг­нит­ное по­ле при­кла­ды­ва­ют пер­пен­ди­ку­ляр­но элек­трич. по­лю, в этом слу­чае име­ют ме­сто Хол­ла эф­фект и Шуб­ни­ко­ва – де Хаа­за эф­фект, клас­сич. маг­ни­то­со­про­тив­ле­ние, сла­бая ло­ка­ли­за­ция но­си­те­лей за­ря­да, а в дву­мер­ных струк­ту­рах – кван­то­вый эф­фект Хол­ла и дроб­ный кван­то­вый эф­фект Хол­ла. В маг­нит­ном по­ле на за­ря­жен­ные час­ти­цы дей­ст­ву­ет си­ла Ло­рен­ца, они на­чи­на­ют вра­щать­ся в плос­ко­сти, пер­пен­ди­ку­ляр­ной на­прав­ле­нию маг­нит­но­го по­ля, с цик­ло­трон­ной час­то­той $ω_с$ и со­хра­ня­ют свою ско­рость вдоль маг­нит­но­го по­ля. В за­ви­си­мо­сти от ве­ли­чи­ны про­из­ве­де­ния $ω_сτ$ раз­ли­ча­ют клас­си­че­ские сла­бые ($ω_сτ≪1$), клас­си­че­ские ($ω_сτ>1$) и кван­тую­щие ($ωсτ≫1$ и $\hbar ω_с≫kT$) маг­нит­ные по­ля, где $\hbar$ – по­сто­ян­ная План­ка.

В маг­нит­ных по­лях, ко­гда $ω_сτ∼1$, дви­же­ние но­си­те­лей за­ря­да мож­но опи­сы­вать клас­сич. урав­не­ния­ми Нью­то­на, в этом слу­чае име­ет ме­сто эф­фект Хол­ла, со­стоя­щий в воз­ник­но­ве­нии до­пол­нит. элек­трич. по­ля, пер­пен­ди­ку­ляр­но­го внеш­ним элек­трич. и маг­нит­но­му по­лям. Это до­пол­нит. по­ле ком­пен­си­ру­ет по­ток час­тиц, вы­зван­ный со­вме­ст­ным дей­ст­ви­ем при­ло­жен­ных элек­трич. и маг­нит­но­го по­лей, и за­ви­сит от ве­ли­чи­ны маг­нит­но­го по­ля и кон­цен­тра­ции сво­бод­ных но­си­те­лей за­ря­да, а его на­прав­ле­ние оп­ре­де­ля­ет­ся зна­ком за­ря­да, по­это­му эф­фект Хол­ла ис­поль­зу­ет­ся для оп­ре­де­ле­ния зна­ка и кон­цен­тра­ции но­си­те­лей за­ря­да.

В бо­лее силь­ных по­лях, ко­гда $ω_сτ≫1$, но ха­рак­тер­ная энер­гия но­си­те­лей за­ря­да зна­чи­тель­но пре­вос­хо­дит $\hbar ω_с$, не­об­хо­ди­мо учи­ты­вать кван­то­ва­ние но­си­те­лей за­ря­да во внеш­нем маг­нит­ном по­ле, в ре­зуль­та­те плот­ность со­стоя­ний как функ­ция об­рат­но­го по­ля при­об­ре­та­ет вид ост­рых, пе­рио­ди­че­ски рас­по­ло­жен­ных пи­ков. При уве­ли­че­нии маг­нит­но­го по­ля эти пи­ки на­чи­на­ют пе­ре­се­кать уро­вень хи­мич. по­тен­циа­ла элек­трон­но­го га­за, в ре­зуль­та­те в кван­тую­щем маг­нит­ном по­ле со­про­тив­ле­ние ос­цил­ли­ру­ет.

В дву­мер­ных по­лу­про­вод­ни­ко­вых струк­ту­рах при $ω_сτ≫1$ и $\hbar ω_с≫kT$ воз­ни­ка­ет кван­то­вый эф­фект Хол­ла, со­стоя­щий в по­яв­ле­нии сту­пе­нек на за­ви­си­мо­сти по­пе­реч­но­го со­про­тив­ле­ния от маг­нит­но­го по­ля. Вы­со­та сту­пе­нек с боль­шой точ­но­стью рав­ня­ет­ся кван­ту удель­но­го со­про­тив­ле­ния $h/e^2$. Зна­че­ние про­доль­но­го со­про­тив­ле­ния об­ра­ща­ет­ся в нуль в маг­нит­ных по­лях, от­ве­чаю­щих сту­пень­кам на за­ви­си­мо­сти по­пе­реч­но­го со­про­тив­ле­ния от маг­нит­но­го по­ля и пи­кам ме­ж­ду сту­пень­ка­ми. Та­кое по­ве­де­ние объ­яс­ня­ет­ся осо­бен­но­стя­ми дви­же­ния но­си­те­лей за­ря­да в силь­ном маг­нит­ном по­ле в ус­ло­ви­ях дей­ст­вия слу­чай­ных элек­трич. и де­фор­ма­ци­он­ных по­лей, имею­щих разл. про­стран­ст­вен­ный мас­штаб. При ещё боль­шем маг­нит­ном по­ле име­ет ме­сто дроб­ный кван­то­вый эф­фект Хол­ла, про­яв­ляю­щий­ся в до­пол­нит. рас­ще­п­ле­нии сту­пе­нек. Од­на­ко кван­то­вый ха­рак­тер но­си­те­лей за­ря­да мо­жет про­яв­лять­ся и в сла­бых маг­нит­ных по­лях. Ока­за­лось, что при низ­ких темп-рах в П. и ме­тал­лах на­блю­да­ет­ся не­боль­шое (ок. 1–5% от об­ще­го) из­ме­не­ние про­во­ди­мо­сти, про­пор­цио­наль­ное квад­ра­ту маг­нит­но­го по­ля. Этот эф­фект объ­яс­ня­ет­ся яв­ле­ни­ем сла­бой ло­ка­ли­за­ции, со­стоя­щим в уве­ли­че­нии со­про­тив­ле­ния про­во­дя­щих ма­те­риа­лов за счёт уси­ле­ния рас­сея­ния на­зад при диф­фу­зи­он­ном дви­же­нии час­тиц.

Оптические свойства полупроводников

Зон­ная струк­ту­ра кри­стал­лов про­яв­ля­ет­ся в свой­ст­вах про­пус­ка­ния, от­ра­же­ния и по­гло­ще­ния по­лу­про­вод­ни­ка­ми элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния. Наи­бо­лее оче­вид­но су­ще­ст­во­ва­ние за­пре­щён­ной зо­ны сле­ду­ет из то­го, что из­лу­че­ние с энер­ги­ей кван­та, мень­шей ши­ри­ны за­пре­щён­ной зо­ны $ℰ_g$ чис­то­го П., не по­гло­ща­ет­ся. По­гло­ще­ние на­чи­на­ет­ся толь­ко то­гда, ко­гда энер­гия кван­та пре­вы­сит $ℰ_g$. Для П. ти­па GaAs при низ­ких темп-рах дли­на вол­ны, на ко­то­рой ин­тен­сив­ность па­даю­ще­го из­лу­че­ния умень­ша­ет­ся в $e$ раз, при­бли­зи­тель­но рав­на 0,1 мкм. При та­ком по­гло­ще­нии кван­та све­та в П. воз­ни­ка­ют элек­трон и дыр­ка и име­ет ме­сто за­кон со­хра­не­ния ква­зи­им­пуль­са. Обыч­но им­пульс све­та зна­чи­тель­но мень­ше квази­им­пуль­сов но­си­те­лей за­ря­да, и при оп­тич. пе­ре­хо­де элек­тро­на из ва­лент­ной зо­ны в зо­ну про­во­ди­мо­сти ква­зи­им­пульс не из­ме­ня­ет­ся, так что в мо­мент ро­ж­де­ния элек­трон и дыр­ка име­ют про­ти­во­по­лож­ные ква­зи­им­пуль­сы. Та­кие пе­ре­хо­ды на­зы­ва­ют­ся пря­мы­ми; они про­ис­хо­дят в т. н. пря­мо­зон­ных П. (GaAs, InSb, Te, SiC), в ко­то­рых по­то­лок ва­лент­ной зо­ны и дно зо­ны про­во­ди­мо­сти рас­по­ло­же­ны в од­ной точ­ке зо­ны Брил­лю­эна.

Элек­трон­ные пе­ре­хо­ды со зна­чит. из­ме­не­ни­ем ква­зи­им­пуль­са про­ис­хо­дят в т. н. не­пря­мо­зон­ных П. (Ge, Si, AlAs, GaP), у ко­то­рых вер­ши­на ва­лент­ной зо­ны и дно зо­ны про­во­ди­мо­сти раз­не­се­ны в про­стран­ст­ве ква­зи­им­пуль­сов на ве­ли­чи­ну по­ряд­ка $π/d$, где $d$ – меж­атом­ное рас­стоя­ние в кри­стал­лич. ре­шёт­ке. В этом слу­чае для вы­пол­не­ния за­ко­на со­хра­не­ния ква­зи­им­пуль­са не­об­хо­ди­мо уча­стие треть­ей час­ти­цы, в ка­че­ст­ве ко­то­рой мо­жет вы­сту­пать ли­бо при­мес­ный атом, ли­бо фо­нон. Ти­пич­ная дли­на по­гло­ще­ния для не­пря­мых пе­ре­хо­дов со­став­ля­ет 1–10 мкм.

В спек­тре по­гло­ще­ния П. при­сут­ст­ву­ют ши­ро­кие энер­ге­тич. по­ло­сы, что ука­зы­ва­ет на то, что элек­тро­ны в ва­лент­ных зо­нах свя­за­ны сла­бо и лег­ко по­ля­ри­зу­ют­ся под дей­ст­ви­ем элек­трич. по­ля. Это оз­на­ча­ет, что П. ха­рак­те­ри­зу­ют­ся от­но­си­тель­но боль­шой ди­элек­трич. про­ни­цае­мо­стью $ε$, напр. в Ge $ε=16$, в GaAs $ε=11$, в PbTe $ε=30$. Бла­го­да­ря боль­шим зна­че­ни­ям $ε$ ку­ло­нов­ское взаи­мо­дей­ст­вие элек­тро­нов и ды­рок друг с дру­гом или с за­ря­жен­ны­ми при­ме­ся­ми силь­но по­дав­ле­но, ес­ли они на­хо­дят­ся друг от дру­га на рас­стоя­нии, пре­вы­шаю­щем раз­ме­ры эле­мен­тар­ной ячей­ки. Это и по­зво­ля­ет во мно­гих слу­ча­ях рас­смат­ри­вать дви­же­ние ка­ж­до­го но­си­те­ля за­ря­да не­за­ви­си­мо от дру­гих. Ес­ли бы ку­ло­нов­ское взаи­мо­дей­ст­вие не ос­лаб­ля­лось, то при­мес­ные ио­ны мог­ли бы свя­зы­вать но­си­те­ли за­ря­да в ус­той­чи­вые, ло­ка­ли­зован­ные в про­стран­ст­ве об­ра­зо­ва­ния с энер­ги­ей ок. 10 эВ. В этом слу­чае при темп-рах ок. 300 К те­п­ло­вое дви­же­ние прак­ти­че­ски не мог­ло бы ра­зо­рвать эти свя­зи, соз­дать сво­бод­ные но­си­те­ли за­ря­да и при­вес­ти к за­мет­ной элек­тро­про­вод­но­сти. Та­кое свя­зы­ва­ние име­ет ме­сто в П. и ди­элек­три­ках, но из-за ос­лаб­ле­ния ку­ло­нов­ско­го взаи­мо­дей­ст­вия и от­но­си­тель­но ма­лых эф­фек­тив­ных масс элек­тро­нов и ды­рок (ок. 0,1–0,5 от мас­сы сво­бод­но­го элек­тро­на) энер­гия свя­зи та­ких об­ра­зо­ва­ний (эк­си­то­нов) со­став­ля­ет 1–50 мэВ, что мно­го мень­ше энер­гии ио­ни­за­ции ато­мов. Эк­си­то­ны лег­ко иони­зу­ют­ся при темп-рах вы­ше темп-ры жид­ко­го азо­та и, т. о., не пре­пят­ст­ву­ют об­ра­зо­ва­нию сво­бод­ных но­си­те­лей. Тем не ме­нее при низ­ких темп-рах об­ра­зо­ва­ние эк­си­то­нов при­во­дит к по­гло­ще­нию в чис­тых П. элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния с энер­ги­ей кван­та, мень­шей $ℰ_g$ на ве­ли­чи­ну энер­гии свя­зи эк­си­то­на.

Про­зрач­ность П. в уз­кой об­лас­ти час­тот вбли­зи края собств. по­гло­ще­ния из­ме­ня­ет­ся под дей­ст­ви­ем внеш­них (элек­трич., маг­нит­но­го и др.) по­лей. Элек­трич. по­ле, ус­ко­ряя элек­трон, мо­жет в про­цес­се оп­тич. пе­ре­хо­да пе­ре­дать ему не­боль­шую до­пол­нит. энер­гию, в ре­зуль­та­те че­го пря­мые оп­тич. пе­ре­хо­ды из ва­лент­ной зо­ны в зо­ну про­во­ди­мо­сти про­ис­хо­дят под дей­ст­ви­ем кван­тов све­та с энер­ги­ей, мень­шей $ℰ_g$ (Кел­ды­ша – Фран­ца эф­фект).

В од­но­род­ном маг­нит­ном по­ле за­кон со­хра­не­ния ква­зи­им­пуль­са при­во­дит к со­хра­не­нию кру­го­во­го дви­же­ния элек­тро­нов и ды­рок по­сле по­гло­ще­ния из­лу­чения. В ре­зуль­та­те за­ви­си­мость ко­эф. по­гло­ще­ния от час­то­ты па­даю­ще­го из­лу­че­ния при­ни­ма­ет вид уз­ких пи­ков. Кро­ме собств. по­гло­ще­ния (за счёт пря­мых или не­пря­мых пе­ре­хо­дов), в П. име­ет ме­сто по­гло­ще­ние све­та сво­бод­ны­ми но­си­те­ля­ми, свя­зан­ное с их пе­ре­хо­да­ми в пре­де­лах од­ной раз­ре­шён­ной зо­ны. Их вклад в об­щее по­гло­ще­ние мал, по­сколь­ку чис­ло сво­бод­ных но­си­те­лей за­ря­да в П. ма­лó по срав­не­нию с пол­ным чис­лом ва­лент­ных элек­тро­нов, и для их реа­ли­за­ции тре­бу­ет­ся уча­стие треть­ей час­ти­цы – при­ме­си или фо­но­на. Кро­ме то­го, в не­ле­ги­ро­ван­ных П. со зна­чит. до­лей ион­ной свя­зи на­блю­да­ет­ся по­гло­ще­ние да­лё­ко­го ИК-из­лу­че­ния за счёт воз­бу­ж­де­ния ко­ле­ба­ний ре­шёт­ки – фо­но­нов.

Спектр фо­то­лю­ми­нес­цен­ции П. со­сре­до­то­чен в уз­кой об­лас­ти вбли­зи ши­ри­ны за­пре­щён­ной зо­ны. Вклад в фо­то­лю­ми­нес­цен­цию П. мо­гут вно­сить разл. ме­ха­низ­мы из­лу­ча­тель­ной ре­ком­би­на­ции: зо­на – зо­на, зо­на – при­месь, до­нор – ак­цеп­тор, с уча­сти­ем фо­но­на, из­лу­че­ние сво­бод­ных, свя­зан­ных или ло­ка­ли­зо­ван­ных эк­си­то­нов, эк­си­тон-по­ля­ри­тон­ная, би­эк­си­тон­ная ре­ком­би­на­ции. В не­ле­ги­ро­ван­ных струк­ту­рах с кван­то­вы­ми яма­ми низ­ко­тем­пе­ра­тур­ная фо­то­лю­ми­нес­цен­ция об­у­слов­ле­на из­лу­ча­тель­ной ре­ком­би­на­ци­ей эк­си­то­нов, ло­ка­ли­зо­ван­ных на ше­ро­хо­ва­то­стях по­верх­но­сти и флук­туа­ци­ях со­ста­ва.

Оп­тич. свой­ст­ва твёр­дых рас­тво­ров П. мож­но ме­нять в ши­ро­ких пре­де­лах, под­би­рая хи­мич. со­став рас­тво­ра, что об­услов­ли­ва­ет их ши­ро­кое при­ме­не­ние в при­бо­рах оп­то­элек­тро­ни­ки, в пер­вую оче­редь в ка­че­ст­ве ра­бо­чих ма­те­риа­лов ла­зе­ров, све­то- и фо­то­дио­дов, сол­неч­ных эле­мен­тов, де­тек­то­ров из­лу­че­ния.

Полупроводниковые гетеро- и наноструктуры

Совр. фи­зи­ка П. – это, пре­ж­де все­го, фи­зи­ка по­лу­про­вод­ни­ко­вых ге­те­ро­ст­рук­тур и на­но­ст­рук­тур. В по­след­них воз­ни­ка­ет ряд но­вых фи­зич. яв­ле­ний, ко­то­рые не­воз­мож­ны в объ­ём­ных П., напр. кван­то­вые це­ло­чис­лен­ный и дроб­ный эф­фек­ты Хол­ла. В на­но­ст­рук­ту­рах дви­же­ние сво­бод­ных но­си­те­лей за­ря­да ог­ра­ни­че­но в од­ном или не­сколь­ких на­прав­ле­ни­ях, что при­во­дит к раз­мер­ным эф­фек­там, кар­ди­наль­но из­ме­няю­щим энер­ге­тич. спек­тры но­си­те­лей за­ря­да, а так­же фо­но­нов и др. ква­зи­ча­стиц. Важ­ную роль в на­но­ст­рук­ту­рах иг­ра­ют ге­те­ро­гра­ни­цы, по­сколь­ку в сис­те­мах ма­ло­го раз­ме­ра от­но­ше­ние пло­ща­ди по­верх­но­сти к внутр. объ­ё­му струк­ту­ры яв­ля­ет­ся боль­шим. Наи­бо­лее со­вер­шен­ные по­лу­про­вод­ни­ко­вые на­но­ст­рук­ту­ры по­лу­ча­ют ме­то­да­ми мо­ле­ку­ляр­но-пуч­ко­вой эпи­так­сии и га­зо­фаз­ной эпи­так­сии из ме­тал­ло­ор­га­нич. со­еди­не­ний.

В нач. 21 в. сло­жи­лась ус­той­чи­вая тер­ми­но­ло­гия низ­ко­раз­мер­ной фи­зи­ки П. Сис­те­ма­ти­ка на­чи­на­ет­ся с оди­ноч­но­го ге­те­ро­пе­ре­хо­да ме­ж­ду дву­мя ком­по­зи­ци­он­ны­ми ма­те­риа­ла­ми – по­лу­про­вод­ни­ка­ми A и B. Один или оба ма­те­риа­ла мо­гут быть твёр­ды­ми рас­тво­ра­ми (при­ме­ры ге­те­ро­пар A/B: GaAs/Al1–xGaxAs, ZnSe/BeTe). По оп­ре­де­ле­нию, в ге­те­ро­пере­хо­дах пер­во­го ти­па за­пре­щён­ная зо­на $ℰ_g$ од­но­го из ком­по­зиц. ма­те­риа­лов ле­жит внут­ри за­пре­щён­ной зо­ны др. ма­те­риа­ла. В этом слу­чае по­тен­ци­аль­ные ямы для элек­тро­нов или ды­рок рас­по­ло­же­ны в од­ном и том же слое. В ге­те­ро­пе­ре­хо­дах вто­ро­го ти­па дно зо­ны про­во­ди­мо­сти ни­же в од­ном, а по­то­лок ва­лент­ной зо­ны вы­ше в дру­гом П. Для ука­зан­ных ге­те­ро­пар за­пре­щён­ные зо­ны пе­ре­кры­ва­ют­ся. Име­ют­ся так­же гете­ро­пе­ре­хо­ды вто­ро­го ти­па (напр., InAs/GaSb), у ко­то­рых за­пре­щён­ные зо­ны не пе­ре­кры­ва­ют­ся и дно зо­ны про­во­ди­мо­сти од­ного П. ле­жит ни­же по­тол­ка ва­лент­ной зо­ны дру­го­го П. К треть­ему ти­пу от­но­сят гете­ро­пе­ре­хо­ды, в ко­то­рых один из сло­ёв яв­ля­ет­ся бес­ще­ле­вым П., напр. в па­ре HgTe/CdTe. Двой­ной ге­те­ро­пе­ре­ход B/A/B пер­во­го ти­па пред­став­ля­ет со­бой струк­ту­ру с оди­ноч­ной кван­то­вой ямой, ес­ли $ℰ^A_g<ℰ^B_g$, или струк­ту­ру с оди­ночным барь­е­ром, ес­ли $ℰ^A_g>ℰ^B_g$.

К по­лу­про­вод­ни­ко­вым на­но­ст­рук­ту­рам от­но­сят кван­то­вые ямы, кван­то­вые про­во­ло­ки, кван­то­вые точ­ки. В кван­то­вой яме дви­же­ние сво­бод­но­го но­си­те­ля за­ря­да (элек­тро­на или дыр­ки) ог­ра­ни­че­но в од­ном из на­прав­ле­ний. В ре­зуль­та­те воз­ни­ка­ет про­стран­ст­вен­ное кван­то­ва­ние и энер­ге­тич. спектр по од­но­му из кван­то­вых чи­сел из не­пре­рыв­но­го ста­но­вит­ся дис­крет­ным – ка­ж­дая трёх­мер­ная энер­ге­тич. элек­трон­ная зо­на пре­вра­ща­ет­ся в се­рию дву­мер­ных под­зон раз­мер­но­го кван­то­ва­ния. Ес­теств. раз­ви­ти­ем од­но­барь­ер­ной струк­ту­ры яв­ля­ют­ся двух- и муль­ти­барь­ер­ные струк­ту­ры, на ос­но­ве ко­то­рых соз­да­ют­ся ре­зо­нанс­но-барь­ер­ные при­бо­ры. От оди­ноч­ной кван­то­вой ямы пе­ре­хо­дят к струк­ту­ре с дву­мя или тре­мя кван­то­вы­ми яма­ми и струк­ту­рам с це­лым на­бо­ром изо­ли­ро­ван­ных кван­то­вых ям. По ме­ре то­го как барь­е­ры ста­но­вят­ся тонь­ше, тун­не­ли­ро­ва­ние но­си­те­лей за­ря­да из од­ной ямы в дру­гую ста­но­вит­ся за­мет­нее, и элек­трон­ные со­стоя­ния в под­зо­нах раз­мер­но­го кван­то­ва­ния изо­ли­ро­ван­ных ям транс­фор­ми­ру­ют­ся в трёх­мер­ные ми­ни­зон­ные со­стоя­ния. В ре­зуль­та­те пе­рио­дич. струк­ту­ра изо­ли­ро­ван­ных кван­то­вых ям, или тол­сто­барь­ер­ная сверх­ре­шёт­ка, пре­вра­ща­ет­ся в тон­ко­барь­ер­ную сверх­ре­шёт­ку, или про­сто сверх­ре­шёт­ку. По­лу­про­вод­ни­ко­вая сверх­ре­шёт­ка ис­поль­зу­ет­ся для со­зда­ния кван­то­вых кас­кад­ных ла­зе­ров, из­лу­че­ние ко­то­рых воз­ни­ка­ет при пе­ре­хо­де элек­тро­нов ме­ж­ду слоя­ми струк­ту­ры.

Кро­ме струк­тур с кван­то­вы­ми яма­ми, су­ще­ст­ву­ют и др. дву­мер­ные сис­те­мы, напр. гра­фен и струк­ту­ра ме­талл – ди­элек­трик – по­лу­про­вод­ник (МДП-струк­ту­ра), ко­то­рая ис­поль­зу­ет­ся в мик­ро­элек­тро­ни­ке в ви­де по­ле­во­го МДП-тран­зи­сто­ра.

В од­но­мер­ных сис­те­мах – кван­то­вых про­во­ло­ках – дви­же­ние но­си­те­лей за­ря­да сво­бод­но толь­ко в од­ном на­прав­ле­нии (напр., в уг­ле­род­ной на­нот­руб­ке, по­лу­чае­мой свёр­ты­ва­ни­ем гра­фе­но­вой по­лос­ки и за­кре­п­ле­ни­ем её про­ти­во­по­лож­ных сто­рон). Др. при­мер та­кой струк­ту­ры – кван­то­вая яма, вы­ра­щен­ная на ско­ле, со­дер­жа­щем пер­пен­ди­ку­ляр­ную ему кван­то­вую яму. Кван­то­вая ме­ха­ни­ка до­пус­ка­ет фор­ми­ро­ва­ние од­но­мер­ных элек­трон­ных со­стоя­ний на сты­ке двух та­ких ям.

В кван­то­вых точ­ках дви­же­ние но­си­те­лей за­ря­да ог­ра­ни­че­но во всех трёх на­прав­ле­ни­ях, напр. в на­нок­ри­стал­лах CdSe, вы­ра­щен­ных в стек­лян­ной мат­ри­це, и в эпи­так­си­аль­ных кван­то­вых точ­ках GaAs/InAs, вы­ра­щен­ных по ме­ха­низ­му Странс­ки – Кра­ста­но­ва.

Ши­ро­кое при­ме­не­ние по­лу­чи­ли по­лу­про­вод­ни­ко­вые ла­зе­ры на кван­то­вых ямах и мас­си­вах кван­то­вых то­чек. В струк­ту­ре с двой­ным ог­ра­ни­че­ни­ем сти­му­ли­ро­ван­ное из­лу­че­ние вы­хо­дит из тор­ца, пер­пен­ди­ку­ляр­но на­прав­ле­нию рос­та. Кван­то­вый мик­ро­ре­зо­на­тор, т. е. кван­то­вые ямы или кван­то­вые точ­ки, вы­ра­щен­ные в ак­тив­ной об­лас­ти оп­тич. мик­ро­ре­зо­на­то­ра, ис­поль­зу­ет­ся для соз­да­ния вер­ти­каль­но из­лу­чаю­щих ла­зе­ров.

Воз­мож­ность в ши­ро­ких пре­де­лах управ­лять фи­зич. свой­ст­ва­ми П. при­во­дит к их мно­го­чис­лен­ным и раз­но­об­раз­ным при­ме­не­ни­ям (см. По­лу­про­вод­ни­ко­вые ма­те­риа­лы).

Полупроводники — Википедия

Монокристаллический кремний — полупроводниковый материал, наиболее широко используемый в промышленности сегодня.

Полупроводники́ — материалы, по удельной проводимости занимающие промежуточное место между проводниками и диэлектриками, и отличающиеся от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводников является увеличение электрической проводимости с ростом температуры[1].

Полупроводниками являются кристаллические вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка электрон-вольта (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам (около 7 эВ), а арсенид индия — к узкозонным (0,35 эВ). К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.).

Атом другого химического элемента в чистой кристаллической решётке (например, атом фосфора, бора и т. д. в кристалле кремния) называется примесью. В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон в кристалл (в вышеприведённом примере – фосфор) или захватывает его (бор), примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.

Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Механизм электрической проводимости

Полупроводники характеризуются как свойствами проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в кристалле кремния, связан двумя атомами), электронам необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома (1,76·10−19 Дж против 11,2·10−19 Дж, чем и характеризуется отличие между полупроводниками и диэлектриками). Эта энергия появляется в них при повышении температуры (например, при комнатной температуре уровень энергии теплового движения атомов равняется 0,04·10−19 Дж), и отдельные электроны получают энергию для отрыва от ядра. С ростом температуры число свободных электронов и дырок увеличивается, поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное электрическое сопротивление уменьшается. Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией связи электронов меньшей чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

Дырка

Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Это обуславливает переход электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешёл электрон, входит другой электрон из другого атома и т. д. Этот процесс обуславливается ковалентными связями атомов. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда без перемещения самого атома. Этот условный положительный заряд называют дыркой.

Обычно подвижность дырок в полупроводнике ниже подвижности электронов.

Энергетические зоны

Между зоной проводимости Еп и валентной зоной Ев расположена зона запрещённых значений энергии электронов Ез. Разность Еп−Ев равна ширине запрещенной зоны Ез. С ростом ширины Ез число электронно-дырочных пар и проводимость собственного полупроводника уменьшается, а удельное сопротивление возрастает.

Подвижность

Подвижность электронов (верхняя кривая) и дырок (нижняя кривая) в кремнии в зависимости от концентрации атомов легирующих примесей

Подвижностью μ{\displaystyle \mu } называют коэффициент пропорциональности между дрейфовой скоростью v→{\displaystyle {\vec {v}}} носителей тока и величиной приложенного электрического поля E→{\displaystyle {\vec {E}}}:

v→=μE→.{\displaystyle {\vec {v}}=\mu {\vec {E}}.}

При этом, вообще говоря, подвижность является тензором:

 vα=μαβEβ.{\displaystyle \ v_{\alpha }=\mu _{\alpha \beta }E_{\beta }.}

Подвижность электронов и дырок зависит от их концентрации в полупроводнике (см. рисунок). При большой концентрации носителей заряда вероятность столкновения между ними вырастает, что приводит к уменьшению подвижности и проводимости.

Размерность подвижности — м²/(В·с) в СИ или см/(В·с)в системе СГС.

Собственная плотность

При термодинамическом равновесии, концентрация электронов полупроводника связана с температурой следующим соотношением:

n¯=2h4(2πmkT)3/2e−EC−EFkT{\displaystyle {\bar {n}}={\frac {2}{h^{3}}}(2\pi mkT)^{3/2}e^{-{\frac {E_{C}-E_{F}}{kT}}}}

где:

h{\displaystyle h} — Постоянная Планка;
m{\displaystyle m} — масса электрона;
T{\displaystyle T} — абсолютная температура;
EC{\displaystyle E_{C}} — уровень зоны проводимости;
EF{\displaystyle E_{F}} — уровень Ферми.

Также, концентрация дырок полупроводника связана с температурой следующим соотношением:

p¯=2h4(2πmkT)3/2e−EF−EVkT{\displaystyle {\bar {p}}={\frac {2}{h^{3}}}(2\pi mkT)^{3/2}e^{-{\frac {E_{F}-E_{V}}{kT}}}}

где:

h{\displaystyle h} — Постоянная Планка.
m{\displaystyle m} — эффективная масса дырки;
T{\displaystyle T} — абсолютная температура;
EF{\displaystyle E_{F}} — уровень Ферми;
EV{\displaystyle E_{V}} — уровень валентной зоны.

Собственная концентрация ni{\displaystyle n_{i}} связана с n¯{\displaystyle {\bar {n}}} и p¯{\displaystyle {\bar {p}}} следующим соотношением:

n¯p¯=ni2{\displaystyle {\bar {n}}{\bar {p}}=n_{i}^{2}}

Виды полупроводников

По характеру проводимости

Собственная проводимость

Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок».

Проводимость связана с подвижностью частиц следующим соотношением:

σ=1ρ=q(Nnμn+Npμp){\displaystyle \sigma ={\frac {1}{\rho }}=q(N_{\rm {n}}\mu _{\rm {n}}+N_{\rm {p}}\mu _{\rm {p}})}

где ρ{\displaystyle \rho } — удельное сопротивление, μn{\displaystyle \mu _{\rm {n}}} — подвижность электронов, μp{\displaystyle \mu _{\rm {p}}} — подвижность дырок, Nn,p{\displaystyle N_{n,p}} — их концентрация, q — элементарный электрический заряд (1,602·10−19 Кл).

Для собственного полупроводника концентрации носителей совпадают и формула принимает вид:

σ=1ρ=qN(μn+μp){\displaystyle \sigma ={\frac {1}{\rho }}=qN(\mu _{\rm {n}}+\mu _{\rm {p}})}
Примесная проводимость

Для создания полупроводниковых приборов часто используют кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами трехвалентного или пятивалентного химического элемента.

По виду проводимости

Электронные полупроводники (n-типа)

Полупроводник n-типа

Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными.

Проводимость N-полупроводников приблизительно равна:

σ≈qNnμn{\displaystyle \sigma \approx qN_{\rm {n}}\mu _{\rm {n}}}
Дырочные полупроводники (р-типа)

Полупроводник p-типа

Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными.

Проводимость p-полупроводников приблизительно равна:

σ≈qNpμp{\displaystyle \sigma \approx qN_{\rm {p}}\mu _{\rm {p}}}

Использование в радиотехнике

Полупроводниковый диод

Схема полупроводникового кремниевого диода. Ниже приведено его символическое изображение на электрических принципиальных схемах.

Полупроводниковый диод состоит из двух типов полупроводников — дырочного и электронного. В процессе контакта между этими областями из области с полупроводником n-типа в область с полупроводником p-типа проходят электроны, которые затем рекомбинируют с дырками. Вследствие этого возникает электрическое поле между двумя областями, что устанавливает предел деления полупроводников — так называемый p-n переход. В результате в области с полупроводником p-типа возникает некомпенсированный заряд из отрицательных ионов, а в области с полупроводником n-типа возникает некомпенсированный заряд из положительных ионов. Разница между потенциалами достигает 0,3-0,6 В.

Связь между разницей потенциалов и концентрацией примесей выражается следующей формулой:

φ=VTln⁡(NnNpni2){\displaystyle \varphi =V_{\rm {T}}\ln \left({\frac {N_{\rm {n}}N_{\rm {p}}}{n_{\rm {i}}^{2}}}\right)}

где VT{\displaystyle V_{\rm {T}}} — термодинамическое напряжение, Nn{\displaystyle N_{\rm {n}}} — концентрация электронов, Np{\displaystyle N_{\rm {p}}} — концентрация дырок, ni{\displaystyle n_{\rm {i}}} — собственная концентрация[2].

В процессе подачи напряжения плюсом на p-полупроводник и минусом на n-полупроводник внешнее электрическое поле будет направлено против внутреннего электрического поля p-n перехода и при достаточном напряжении электроны преодолеют p-n переход, и в цепи диода появится электрический ток (прямая проводимость, диод пропускает максимальный электрический ток).При подаче напряжения минусом на область с полупроводником p-типа и плюсом на область с полупроводником n-типа между двумя областями возникает область, которая не имеет свободных носителей электрического тока (обратная проводимость, диод сопротивляется пропусканию электрического тока). Обратный ток полупроводникового диода близок к нулю, но не равен нулю, так как в обоих областях всегда есть неосновные носители заряда. Для этих носителей p-n переход будет открыт.

Таким образом, p-n переход проявляет свойства односторонней проводимости, что обуславливается подачей напряжения с различной полярностью. Это свойство используют для выпрямления переменного тока.

Транзистор

Структура биполярного n-p-n транзистора.

Транзистор — полупроводниковое устройство, которое состоит из двух областей с полупроводниками p- или n-типа, между которыми находится область с полупроводником n- или p-типа. Таким образом, в транзисторе есть две области p-n перехода.

Типы полупроводников в периодической системе элементов

В нижеследующей таблице представлена информация о большом количестве полупроводниковых элементов и их соединений, разделённых на несколько типов:

  • одноэлементные полупроводники IV группы периодической системы элементов,
  • сложные: двухэлементные AIIIBV и AIIBVI из третьей и пятой группы и из второй и шестой группы элементов соответственно.

Все типы полупроводников обладают интересной зависимостью ширины запрещённой зоны от периода, а именно — с увеличением периода ширина запрещённой зоны уменьшается.

ГруппаIIBIIIAIVAVAVIA
Период
25 B6 C7 N
313 Al14 Si15 P16 S
430 Zn31 Ga32 Ge33 As34 Se
548 Cd49 In50 Sn51 Sb52 Te
680 Hg

Физические свойства и применение

Прежде всего, следует сказать, что физические свойства полупроводников наиболее изучены по сравнению с металлами и диэлектриками. В немалой степени этому способствует огромное количество эффектов, которые не могут быть наблюдаемы ни в тех, ни в других веществах, прежде всего связанные с устройством зонной структуры полупроводников, и наличием достаточно узкой запрещённой зоны. Конечно же, основным стимулом для изучения полупроводников является производство полупроводниковых приборов и интегральных микросхем — это в первую очередь относится к кремнию, но затрагивает и другие соединения (Ge, GaAs, InP, InSb).

Кремний — непрямозонный полупроводник, оптические свойства которого широко используются для создания фотодиодов и солнечных батарей, однако его очень трудно заставить работать в качестве источника света, и здесь вне конкуренции прямозонные полупроводники — соединения типа AIIIBV, среди которых можно выделить GaAs, GaN, которые используются для создания светодиодов и полупроводниковых лазеров.

Собственный полупроводник при температуре абсолютного нуля не имеет свободных носителей в зоне проводимости в отличие от проводников и ведёт себя как диэлектрик. При легировании ситуация может поменяться (см. вырожденные полупроводники).

В связи с тем, что технологи могут получать очень чистые вещества, встаёт вопрос о новом эталоне для числа Авогадро.

Легирование

Объёмные свойства полупроводника могут сильно зависеть от наличия дефектов в кристаллической структуре. И поэтому стремятся выращивать очень чистые вещества, в основном для электронной промышленности. Легирующие примеси вводят для управления величиной и типом проводимости полупроводника. Например, широко распространённый кремний можно легировать элементом V подгруппы периодической системы элементов — фосфором, который является донором, и создать n-Si. Для получения кремния с дырочным типом проводимости (p-Si) используют бор (акцептор). Также создают компенсированные полупроводники с тем чтобы зафиксировать уровень Ферми в середине запрещённой зоны.

Методы получения

Свойства полупроводников зависят от способа получения, так как различные примеси в процессе роста могут изменить их. Наиболее дешёвый способ промышленного получения монокристаллического технологического кремния — метод Чохральского. Для очистки технологического кремния используют также метод зонной плавки.

Для получения монокристаллов полупроводников используют различные методы физического и химического осаждения. Наиболее прецизионный и дорогой инструмент в руках технологов для роста монокристаллических плёнок — установки молекулярно-лучевой эпитаксии, позволяющей выращивать кристалл с точностью до монослоя.

Оптика полупроводников

Поглощение света полупроводниками обусловлено переходами между энергетическими состояниями зонной структуры. Учитывая принцип запрета Паули, электроны могут переходить только из заполненного энергетического уровня на незаполненный. В собственном полупроводнике все состояния валентной зоны заполнены, а все состояния зоны проводимости незаполненные, поэтому переходы возможны лишь из валентной зоны в зону проводимости. Для осуществления такого перехода электрон должен получить от света энергию, превышающую ширину запрещённой зоны. Фотоны с меньшей энергией не вызывают переходов между электронными состояниями полупроводника, поэтому такие полупроводники прозрачны в области частот ω<Eg/ℏ{\displaystyle \omega <E_{g}/\hbar } , где Eg{\displaystyle E_{g}} — ширина запрещённой зоны, ℏ{\displaystyle \hbar } — постоянная Планка. Эта частота определяет фундаментальный край поглощения для полупроводника. Для полупроводников, которые зачастую применяются в электронике (кремний, германий, арсенид галлия) она лежит в инфракрасной области спектра.

Дополнительные ограничения на поглощение света полупроводников накладывают правила отбора, в частности закон сохранения импульса. Закон сохранения импульса требует, чтобы квазиимпульс конечного состояния отличался от квазиимпульса начального состояния на величину импульса поглощённого фотона. Волновое число фотона 2π/λ{\displaystyle 2\pi /\lambda }, где λ{\displaystyle \lambda } — длина волны, очень мало по сравнению с волновым вектором обратной решётки полупроводника, или, что то же самое, длина волны фотона в видимой области намного больше характерного межатомного расстояния в полупроводнике, что приводит к требованию того, чтобы квазиимпульс конечного состояния при электронном переходе практически равнялся квазиимпульсу начального состояния. При частотах, близких к фундаментальному краю поглощения, это возможно только для прямозонных полупроводников. Оптические переходы в полупроводниках, при которых импульс электрона почти не меняется называются прямыми или вертикальными. Импульс конечного состояния может значительно отличаться от импульса начального состояния, если в процессе поглощения фотона участвует ещё одна, третья частица, например, фонон. Такие переходы тоже возможны, хотя и менее вероятны. Они называются непрямыми переходами.

Таким образом, прямозонные полупроводники, такие как арсенид галлия, начинают сильно поглощать свет, когда энергия кванта превышает ширину запрещённой зоны. Такие полупроводники очень удобны для использования в оптоэлектронике.

Непрямозонные полупроводники, например, кремний, поглощают в области частот света с энергией кванта чуть больше ширины запрещённой зоны значительно слабее, только благодаря непрямым переходам, интенсивность которых зависит от присутствия фононов, и следовательно, от температуры. Граничная частота прямых переходов кремния больше 3 эВ, то есть лежит в ультрафиолетовой области спектра.

При переходе электрона из валентной зоны в зону проводимости в полупроводнике возникают свободные носители заряда, а следовательно фотопроводимость.

При частотах ниже края фундаментального поглощения также возможно поглощение света, которое связано с возбуждением экситонов, электронными переходами между уровнями примесей и разрешенными зонами, а также с поглощением света на колебаниях решётки и свободных носителях. Экситонные зоны расположены в полупроводнике несколько ниже дна зоны проводимости благодаря энергии связи экситона. Экситонные спектры поглощения имеют водородоподобную структуру энергетических уровней. Аналогичным образом примеси, акцепторы или доноры, создают акцепторные или донорные уровни, лежащие в запрещённой зоне. Они значительно модифицируют спектр поглощения легированного полупроводника. Если при непрямозонном переходе одновременно с квантом света поглощается фонон, то энергия поглощенного светового кванта может быть меньше на величину энергии фонона, что приводит к поглощению на частотах несколько ниже по энергии от фундаментального края поглощения.

Список полупроводников

Полупроводниковые соединения делят на несколько типов:

  • простые полупроводниковые материалы — собственно химические элементы: бор B, углерод C, германий Ge, кремний Si, селен Se, сера S, сурьма Sb, теллур Te и йод I. Самостоятельное применение широко нашли германий, кремний и селен. Остальные чаще всего применяются в качестве легирующих добавок или в качестве компонентов сложных полупроводниковых материалов;
  • в группу сложных полупроводниковых материалов входят химические соединения из двух, трёх и более химических элементов. Полупроводниковые материалы из двух элементов называют бинарными, и так же, как это принято в химии, имеют наименование того компонента, металлические свойства которого выражены слабее. Так, бинарные соединения, содержащие мышьяк, называют арсенидами, серу — сульфидами, теллур — теллуридами, углерод — карбидами. Сложные полупроводниковые материалы объединяют по номеру группы Периодической системы элементов Д. И. Менделеева, к которой принадлежат компоненты соединения, и обозначают буквами латинского алфавита (A — первый элемент, B — второй и т. д.). Например, бинарное соединение фосфид индия InP имеет обозначение AIIIBV

Широкое применение получили следующие соединения:

AIIIBV
  • InSb, InAs, InP, GaSb, GaP, AlSb, GaN, InN
AIIBV
AIIBVI
  • ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdTe, HgSe, HgTe, HgS
AIVBVI
  • PbS, PbSe, PbTe, SnTe, SnS, SnSe, GeS, GeSe

а также некоторые окислы свинца, олова, германия, кремния а также феррит, аморфные стёкла и многие другие соединения (AIBIIIC2VI, AIBVC2VI, AIIBIVC2V, AIIB2IIC4VI, AIIBIVC3VI).

На основе большинства из приведённых бинарных соединений возможно получение их твёрдых растворов: (CdTe)x(HgTe)1-x, (HgTe)x(HgSe)1-x, (PbTe)x(SnTe)1-x, (PbSe)x(SnSe)1-x и других.

Соединения AIIIBV, в основном, применяются для изделий электронной техники, работающих на сверхвысоких частотах

Соединения AIIBV используют в качестве люминофоров видимой области, светодиодов, датчиков Холла, модуляторов.

Соединения AIIIBV, AIIBVI и AIVBVI применяют при изготовлении источников и приёмников света, индикаторов и модуляторов излучений.

Окисные полупроводниковые соединения применяют для изготовления фотоэлементов, выпрямителей и сердечников высокочастотных индуктивностей.

Физические свойства соединений типа AIIIBV
ПараметрыAlSbGaSbInSbAlAsGaAsInAs
Температура плавления, К1333998798187315531218
Постоянная решётки, Å6,146,096,475,665,696,06
Ширина запрещённой зоны ΔE, эВ0,520,70,182,21,320,35
Диэлектрическая проницаемость ε8,414,015,9
Подвижность, см²/(В·с):
электронов50500060 000400034000[3]
дырок15010004000400460[3]
Показатель преломления света, n3,03,74,13,23,2
Линейный коэффициент теплового
расширения, K-1
6,9·10-65,5·10-65,7·10-65,3·10-6

Группа IV

  • собственные полупроводники
  • составной полупроводник

Группа III-V

  • 2-компонентные полупроводники
  • 3-компонентные полупроводники
  • 4-компонентные полупроводники
  • 5-компонентные полупроводники

Группа II-VI

  • 2-компонентные полупроводники
  • 3-компонентные полупроводники

Группа I-VII

  • 2-компонентные полупроводники

Группа IV-VI

  • 2-компонентные полупроводники
  • 3-компонентные полупроводники

Группа V-VI

  • 2-компонентные полупроводники

Группа II—V

  • 2-компонентные полупроводники

Другие

  • Разные оксиды

Органические полупроводники

Магнитные полупроводники

См. также

Примечания

  1. Н. С. Зефиров (гл. ред.). Химическая энциклопедия. — Москва: Большая Российская Энциклопедия, 1995. — Т. 4. — С. 55. — 639 с. — 20 000 экз. — ISBN 5-85270-092-4.
  2. ↑ Физические величины: справочник/ А. П. Бабичев Н. А. Бабушкина, А. М. Бартковский и др. под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. — М.; Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с — ISBN 5-283-04013-5
  3. 1 2 Индия арсенид // Химическая энциклопедия

Литература

  • Тауц Я. Фото- и термоэлектрические явления в полупроводниках. М.: Издательство иностранной литературы, 1962, 256 с.
  • Тауц Я. Оптические свойства полупроводников. М.: Мир, 1967, 74 с.
  • Киреев П. С. Физика полупроводников. — М., Высшая школа, 1975. — Тираж 30000 экз. — 584 с.

Ссылки

ПОЛУПРОВОДНИКИ

   Полупроводники были известны как класс еще с 19 века, задолго до изобретения первого транзистора и даже диода. Так выглядит кристалл кремния, из которого путем глубокой очистки получается основа для производства полупроводниковых приборов. Очистка должна быть настолько тщательной, что на десять миллиардов атомов кремния допустимо не более одного (!) атома примеси.

Кристалл кремния

   В ту эпоху полупроводники еще не нашли своего применения в электронной технике, и считались бесполезными. Действительно, если требуется проводник, то лучше взять медь, алюминий, а если требуется диэлектрик то, фарфор, слюду или стекло. 

Электрические свойства материалов

   Полупроводники, по своим свойствам, это и плохие диэлектрики и плохие проводники. Но без полупроводников не было бы современной электронной техники. Из полупроводников широко используются Кремний, Галлий, Германий и Селен. Все атомы, как известно, соединяются в молекулы.

Рисунок объединения атомов в молекулу

   Только с изобретением полупроводников стало возможным значительно уменьшить размеры электронной техники. Вся современная электронная техника, будь то диод, транзистор, микросхема или новейший микропроцессор создана благодаря открытию полупроводников. Для примера, простейшая ламповая ЭВМ, далеко не сравнимая по мощности с современными компьютерами, занимала несколько комнат, причем надежность её была низкой.

Ламповая ЭВМ

   Электропроводность полупроводника сильно зависит от температуры и излучения (например светового). 

Атомы с кристаллической решеткой

   Германий и кремний имеют по четыре валентных электрона, они находятся во внешних слоях оболочек атома. И кремний и германий являются алмазоподобными кристаллами. Их валентные электроны имеют единые орбиты. 

Рисунок единые орбиты электронов

   Если в расплавленный кремний ввести атомы мышьяка (или фосфора) имеющего валентность пять, то есть 5 электронов на внешних слоях атома, 4 электрона атома мышьяка займут свое место в кристаллической решетке. 

Донорные и акцепторные примеси

   Если концентрация электронов в полупроводнике значительно превышает концентрацию дырок, то основные носители заряда электроны, если же в полупроводнике преобладают дырки, то основные носители дырки. Те же электроны, которые не смогли занять место в кристаллической решетке, им просто не хватило места, становятся свободными. Говорят, что в таком случае кремний стал полупроводником n – типа. Атом Мышьяка выступил в роли «донорной” примеси.

Рисунок с электроном и дыркой

   Ток в полупроводниках, может осуществляться, не только за счет электронов, но и за счет «дырок”. Что же такое «дырка”? Если в расплавленный кремний или германий ввести немного Индия, который имеет валентность три электрона на внешних слоях атома, то он также займет свое место в кристаллической решетке, правда у него имеются только 3 электрона, и он будет вынужден забрать 1 электрон у атома кремния. Таким образом образовалась «дырка” или положительный заряд. Такая примесь называется «акцепторной” и создает в атоме дырочную проводимость. Принято говорить, что такой полупроводник становится р – типа. Если к выводам такого полупроводника приложить напряжение, то он начинает проводить ток ! При этом электроны начинают притягиваться положительным полюсом источника тока, (как мы помним разноименные заряды притягиваются) они уходят из полупроводника в источник тока и оставляют позади себя дырки и при этом создается такая картина, что электроны двигаются к плюсу, а дырки к минусу, что и видно на приведенном ниже рисунке.

Как двигаются электроны и дырки в полупроводнике

   В освободившиеся дырки у отрицательного полюса «впрыгивают” электроны и начинают свое движение к положительному полюсу. В полупроводнике, пока к нему не подключен источник тока, дырки и электроны блуждают хаотически и только с подачей напряжения начинают двигаться упорядоченно. Проводимость бывает собственная и примесная. В полупроводниках с собственной проводимостью количество дырок примерно равно количеству свободных электронов. Примесная проводимость, как и было рассказано выше появляется путем введения в кристалл полупроводника трех или пяти валентной примеси. Используются при создании электронных приборов полупроводники с примесной проводимостью. На следующем рисунке изображено добавление фосфора, пятивалентного элемента в атомы германия:

Свободный электрон германий

   Чем больше в атом кремния введено атомов мышьяка, тем больше в нем становится свободных электронов способных создавать ток. Такой проводник становится проводником n – типа. Соответственно, чем больше в атом кремния введено атомов индия, тем больше будет в нем количество «дырок”, электроны в этих полупроводниках двигаются от дырки к дырке. Такие полупроводники, как писалось выше, становятся полупроводниками p –типа. Электропроводность полупроводников с введенными в них примесями, становится выше в несколько раз, по сравнению с чистыми полупроводниками. Полупроводники позволяют преобразовывать тепловую энергию и энергию света в электрическую. Они могут работать и как охлаждающие элементы:

Полупроводниковые охлаждающие батареи

   И как преобразущие в электроэнергию тепло.

Термоэлектрогенератор

   Для питания устройства на лампах необходимо питание от сети либо громоздкий аккумулятор, для питания же устройства на транзисторах достаточно небольшой батареи питания. Появление полупроводниковых транзисторов позволило значительно уменьшить размеры радиоприемников:

   На фото ламповый радиоприемник. Ниже изображен транзисторный радиоприемник, разница в размерах, как все знают, существенная — в 10-100 раз.

   Если бы в свое время не были открыты полупроводники, а позднее транзисторы, которые входят в состав любой микросхемы, не было бы очень многих технических достижений, полётов в космос, компьютеров, не говоря уже о таких устройствах как мобильный телефон и планшетный компьютер. Изобретение транзистора в 1948 году учеными Браттейн, Бардин и Шокли означало новую эру в электронной технике, эру полупроводников. Так выглядел первый транзистор:

Фото первый транзистор

   А вот так выглядит выпущенный позднее советский транзистор МП39-МП42 со спиленным корпусом. 

Транзистор с открытым корпусом

   С тех пор полупроводниковые приборы и в частности транзисторы сильно эволюционировали:

Фото современных транзисторов

   На фото изображены сверху вниз: транзистор большой мощности, средней мощности, малой мощности и транзистор в SMD исполнении. В общем можно смело утверждать, что не будь в природе полупроводниковых материалов, мы бы до сих пор пользовались ламповыми приёмниками и усилителями, а про смартфоны и планшеты никто бы и не мечтал. Материал подготовил AKV.

   Форум по теоретическим вопросам

   Обсудить статью ПОЛУПРОВОДНИКИ

Оптимизация конструкции тонких пленок для полупроводников

Кредит:
Intel Free Press // Creative Commons (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/)

Производство полупроводниковых приборов начинается с нанесения очень тонких пленок материала на кремниевые пластины. Эти пленки осаждаются по одному атомному слою с использованием процесса, называемого осаждением из паровой фазы. Точные измерения этих тонких пленок и условия, используемые для их создания, становятся все более важными, поскольку полупроводниковые устройства, такие как те, что используются в компьютерных микросхемах, сжимаются.NIST в партнерстве с поставщиками химикатов, производителями инструментов для нанесения покрытий и другими представителями отрасли разработал усовершенствованную схему мониторинга осаждения тонких пленок и анализа данных, которая обеспечивает значительно улучшенное представление о системах и химических веществах, образующих эти ультратонкие пленки.

На США приходится 48 процентов мирового рынка полупроводниковой промышленности стоимостью 340 миллиардов долларов. NIST предоставляет этой отрасли необходимые инструменты для измерения и обработки данных, которые помогают определить оптимальные производственные условия. Рост тонкой пленки из паровой фазы зависит от контролируемой доставки химических прекурсоров на поверхность кремниевой пластины.

Производители полупроводникового оборудования используют методы измерения и анализ данных NIST для улучшения своих систем для оптимального роста пленки осаждения из паровой фазы. Например, NIST разработал оптическую систему, которая отслеживает рост пленки в реальном времени со значительно более высокой чувствительностью по сравнению с традиционными подходами. Благодаря более совершенным системам мониторинга производители полупроводников могут более уверенно исследовать использование новых химических прекурсоров и то, как слои различных пленок взаимодействуют друг с другом.Результат — лучшие «рецепты» пленок с идеальными свойствами.

NIST продолжает расширять и применять эти измерительные возможности с помощью междисциплинарного подхода, который сочетает в себе опыт современных оптических методов с подробной динамикой потока в реакторе. Эта работа помогает компаниям сократить время, необходимое для разработки новых производственных процессов, наращивать производство и поддерживать высокий выход продукции.

.

Революционный полупроводник толщиной до атома для электроники

Трехмерная модель структуры нового материала h-BCN. Предоставлено: Аксель Эндерс.

Двумерный материал, разработанный физиком из Байройта профессором доктором Акселем Эндерсом вместе с международными партнерами, может произвести революцию в электронике.

Полупроводники толщиной с атом больше не являются предметом научной фантастики.Физик из Байройта профессор доктор Аксель Эндерс вместе с партнерами в Польше и США разработал двумерный материал, который может произвести революцию в электронике. Благодаря своим полупроводниковым свойствам этот материал может быть гораздо лучше приспособлен для высокотехнологичных приложений, чем графен, открытие которого в 2004 году было отмечено во всем мире как научный прорыв. Этот новый материал содержит углерод, бор и азот, а его химическое название — «гексагональный бор-углерод-азот (h-BCN)». Новая разработка была опубликована в журнале ACS Nano .

«Наши результаты могут стать отправной точкой для нового поколения электронных транзисторов, схем и датчиков, которые намного меньше и более гибки, чем электронные элементы, используемые до сих пор. Они, вероятно, позволят значительно снизить энергопотребление», — сказал проф. Эндерс предсказывает, ссылаясь на технологию CMOS, которая в настоящее время доминирует в электронной промышленности. Эта технология имеет четкие границы в отношении дальнейшей миниатюризации. По словам Эндерса, «h-BCN гораздо лучше подходит, чем графен, когда дело доходит до выхода за эти пределы».

Графен представляет собой двумерную решетку, полностью состоящую из атомов углерода. Таким образом, он такой же тонкий, как отдельный атом. Когда ученые начали более внимательно изучать эти структуры, их замечательные свойства были с энтузиазмом встречены во всем мире. Графен в 100–300 раз прочнее стали и в то же время является отличным проводником тепла и электричества. Однако электроны могут беспрепятственно проходить через любое приложенное напряжение, так что не существует определенного положения включения или выключения.«По этой причине графен не очень хорошо подходит для большинства электронных устройств. Полупроводники необходимы, поскольку только они могут обеспечивать возможность переключения между состояниями включения и выключения», — пояснил профессор Эндерс. У него была идея заменить отдельные атомы углерода в графене бором и азотом, в результате чего получилась двумерная сетка со свойствами полупроводника. Теперь он смог воплотить эту идею в жизнь вместе со своей командой ученых из Университета Небраски в Линкольне.


Успешное легирование бором графеновой наноленты


Дополнительная информация:
Sumit Beniwal et al.Графеноподобные монослои бор – углерод – азот, ACS Nano (2017). DOI: 10.1021 / acsnano.6b08136

Предоставлено
Байройтский университет

Цитата :
Революционный полупроводник толщиной до атома для электроники (2017, 24 февраля)
получено 27 сентября 2020
с https: // физ.org / news / 2017-02-Revolution-Atom-Thin-Semiconductor-Electronics.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

.

Новые электрические свойства — Samsung Global Newsroom

Знаете ли вы, что полупроводники — это миниатюрные высотные здания?

Если вам представится возможность увидеть поперечное сечение полупроводникового чипа под электронным микроскопом высокого разрешения, вы увидите слой за слоем материалы, скопившиеся, как небоскреб.

Для изготовления таких структур процессы фотолитографии и травления (которые мы обсуждали ранее), наряду с некоторыми другими, повторяются несколько сотен раз, пока слои тонкопленочного материала не приведут к созданию полупроводникового кристалла.

Сегодня мы рассмотрим этот «тонкопленочный процесс», при котором полупроводниковый чип приобретает свои электрические свойства.

Слишком тонкий для просмотра

Словарь определяет пленку толщиной менее 1 микрометра (мкм, одну миллионную метра) как «тонкую пленку». Эта толщина не может быть изготовлена ​​механическим способом.

Для того, чтобы полупроводниковый чип получил желаемые электрические свойства, материалы на атомных или молекулярных уровнях плотно уложены в толщину тонкой пленки.Эта пленка настолько тонкая, что для ее равномерного нанесения на пластину требуется очень сложная и точная технология.

Допустим, мы формируем пленку толщиной 1 микрометр на 8-дюймовой (200 мм) пластине. Это было бы равносильно равномерному накоплению песка толщиной 1 мм на школьном дворе диаметром 200 метров. Довольно высокотехнологичный, да?

Осаждение: Химическая очистка аэрографом

Структура напыления полупроводников

Осаждение относится к серии процессов, при которых материалы на атомных или молекулярных уровнях осаждаются на поверхность пластины в виде тонкого слоя для сохранения электрических свойств.

Методы осаждения можно в основном разделить на физическое осаждение из паровой фазы (PVD) и химическое осаждение из паровой фазы (CVD).

Физическое осаждение из паровой фазы (PVD) в основном используется для нанесения тонких металлических пленок и не требует химических реакций.

Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) происходит, когда частицы химической реакции газа осаждаются в форме пара, активируемого внешним источником энергии. CVD можно использовать на проводниках и непроводниках, а также на полупроводниках.

По этой причине CVD чаще используется в современных процессах производства полупроводников. Метод CVD подразделяется на термический, плазменный и оптический CVD, в зависимости от используемого источника внешней энергии. CVD с плазменным усилением, в частности, дает много преимуществ, поскольку его можно обрабатывать при более низких температурах в больших объемах, обеспечивая больший контроль над однородностью толщины, что делает его предпочтительным методом выбора в наши дни.

Тонкую пленку, изготовленную в процессе осаждения, можно разделить на металлические (проводящие) слои для электрических соединений между цепями и диэлектрические (изолирующие) слои, которые электрически изолируют внутренние слои или защищают их от загрязнений.

Для того чтобы полупроводники приобрели электрические свойства, должен следовать процесс имплантации ионов в осажденный слой. Ионная имплантация — это процесс имплантации электрически заряженных частиц на поверхность полупроводника с помощью схем. Эти ионы называются «примесями» и включают бор (B), фосфор (P) и мышьяк (As). Путем введения примесей в поверхность пластины в виде мелких частиц газа на заданную глубину кремниевая пластина приобретает свою электропроводность.(Просмотрите процесс диффузии, чтобы узнать больше об имплантации примесей.)

Сегодня мы рассмотрели, как изначально чистая непроводящая кремниевая пластина превращается в полупроводниковую в результате процессов осаждения и ионной имплантации. От того, насколько тонкий и равномерный слой образуется во время этого процесса осаждения, может зависеть качество окончательной стружки.

Следите за обновлениями следующей части нашей серии, которая выйдет на следующей неделе!

На корейском языке http: // samsungsemiconstory.tistory.com/172.

.

полупроводниковые тонкопленочные устройства | Другие материалы, помимо кремния, для электронных устройств следующего поколения В индустрии бытовой электроники девизом инноваций является более высокая производительность устройства при меньшем энергопотреблении. Арун Татхачари, доктор философии. Студент электротехнического факультета Пенсильванского университета, проводит дни, а иногда и ночи в чистом помещении лаборатории нанофабрикатов Института исследования материалов, пытаясь создать инновационные транзисторные устройства из материалов, отличных от стандартного полупроводникового кремния, что позволит повысить производительность при меньшем энергопотреблении.

Материалы, отличные от кремния, для электронных устройств следующего поколения

В индустрии бытовой электроники девизом инноваций является повышение производительности устройства при меньшем энергопотреблении. Арун Татхачари, доктор философии. Студент электротехнического факультета Пенсильванского университета, проводит дни, а иногда и ночи в чистом помещении лаборатории нанофабрикатов Института исследования материалов, пытаясь создать инновационные транзисторные устройства из материалов, отличных от стандартного полупроводникового кремния, что позволит повысить производительность при меньшем энергопотреблении.

Кремний был самым успешным материалом 20-го века, в честь которого были названы крупнейшие мировые отрасли промышленности и даже долина. Но кремния может не хватить для высокопроизводительной / маломощной электроники. Например, известно, что сложный полупроводниковый арсенид индия-галлия имеет гораздо более высокую подвижность электронов, чем кремний. Поскольку силикон выходит за пределы физических ограничений производительности, может ли такой материал, как InGaAs, обеспечить такое улучшение по сравнению с кремнием, чтобы окупить затраты на новое оборудование и обучение, чтобы сделать коммутатор полезным? Samsung, одна из крупнейших в мире компаний по производству электроники, через своего советника, профессора электротехники Сумана Датта, профинансировала Тэтхэчэри, чтобы помочь им выяснить это.

В статье, опубликованной в журнале Nano Letters в начале этого года, Тэтхачари и его соавторы описали прототип нового устройства, предназначенного для тестирования нанопроволок, сделанных из сложных полупроводников, таких как InGaAs. Их цель состояла в том, чтобы впервые увидеть, сохранит ли такой составной материал свою превосходную подвижность электронов при наноразмерных размерах в так называемой конфигурации устройства FinFET, стандартной транзисторной архитектуре для технологии менее 22 нанометров.

«Мы разработали новую испытательную структуру, называемую многореберной балкой Холла.»Это первое такое измерение подвижности Холла в трехмерном устройстве с несколькими ребрами», — сказал Тэтхачари. «Если вы посмотрите на массовое производство микросхем сегодня, все транзисторы сделаны в трехмерном виде, и потому что они сделаны в трехмерном формате, а не в более ранняя планарная конструкция, некоторые механизмы могут ухудшить производительность. В этой статье мы рассмотрели, насколько сильно вы действительно страдаете при переходе от плоской 2D-поверхности к, в данном случае, элементам размером 30 нм, ограниченным в 3D? »

Тэтхачари и его коллеги обнаружили, что подвижность электронов имеет регулярный наклон и что экспериментальные результаты можно моделировать с помощью метода, называемого приближением времени релаксации рассеяния.Используя эту технику, они смогли предсказать, как составное полупроводниковое устройство, вероятно, будет работать с размером, при котором этот материал, возможно, будет принят, например, технологический узел 7 нм.

Читать статью полностью в Focus on Materials

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *