Напівпровідник

Монокристалічний кремній - напівпровідниковий матеріал, найбільш широко використовуваний у промисловості на сьогоднішній день

Напівпровідник - матеріал, який за своєю питомої провідності займає проміжне місце між провідниками і діелектриками і відрізняється від провідників сильною залежністю питомої провідності від концентрації домішок, температури і впливу різних видів випромінювання. Основною властивістю напівпровідника є збільшення електричної провідності з ростом температури. [1]

Напівпровідниками є речовини, ширина забороненої зони яких складає порядку декількох електрон-вольт (еВ). Наприклад, алмаз можна віднести до широкозонних напівпровідників, а арсенід індію - до вузькозонних. До числа напівпровідників відносяться багато хімічні елементи (германій, кремній, селен, телур, миш'як та інші), величезна кількість сплавів і хімічних сполук (арсенід галію та ін.) Майже всі неорганічні речовини навколишнього нас світу - напівпровідники. Найпоширенішим в природі напівпровідником є кремній, що становить майже 30% земної кори.

В залежності від того, чи віддає домішкової атом електрон або захоплює його, домішкові атоми називають донорними або акцепторними. Характер домішки може змінюватися в залежності від того, який атом кристалічної решітки вона заміщає, в яку кристалографічну площину вбудовується.

Провідність напівпровідників сильно залежить від температури. Поблизу температури абсолютного нуля напівпровідники мають властивості діелектриків.


1. Механізм електричної провідності

Напівпровідники характеризуються як властивостями провідників, так і діелектриків. У напівпровідникових кристалах атоми встановлюють ковалентні зв'язки (тобто, один електрон в кристалі кремнію, як і алмазу, пов'язаний двома атомами), електронам необхідний рівень внутрішньої енергії для вивільнення з атома (1,76 10 -19 Дж проти 11,2 10 -19 Дж, ніж та характеризується відмінність між напівпровідниками і діелектриками). Ця енергія з'являється в них при підвищенні температури (наприклад, при кімнатній температурі рівень енергії теплового руху атомів дорівнює 0,4 10 -19 Дж), і окремі атоми отримують енергію для відриву електрона від атома. Зі зростанням температури число вільних електронів і дірок збільшується, тому в напівпровіднику, не містить домішок, питомий електричний опір зменшується. Умовно прийнято вважати напівпровідниками елементи з енергією зв'язку електронів меншою ніж 1,5-2 еВ. Електронно-дірковий механізм провідності проявляється у власних (тобто без домішок) напівпровідників. Він називається власною електричну провідність напівпровідників.


1.1. Дірка

Під час розриву зв'язку між електроном і ядром з'являється вільне місце в електронній оболонці атома. Це зумовлює перехід електрона з іншого атома на атом з вільним місцем. На атом, звідки перейшов електрон, входить інший електрон з іншого атома і т. д. Це обумовлюється ковалентними зв'язками атомів. Таким чином, відбувається переміщення позитивного заряду без переміщення самого атома. Цей умовний позитивний заряд називають діркою.

Зазвичай рухливість дірок у напівпровіднику нижче рухливості електронів.


1.2. Енергетичні зони

Між зоною провідності Е п і валентною зоною Е в розташована зона заборонених значень енергії електронів Е з. Різниця Е п-Е в рівна ширині забороненої зони Е з. З ростом ширини Е з числа електронно-доручених пар і провідність власного напівпровідника зменшується, а удільне опір зростає.

1.3. Рухливість

Рухливість електронів (верхня крива) і дірок (нижня крива) в кремнії залежно від концентрації атомів домішки

Рухливістю \ Mu називають коефіцієнт пропорційності між дрейфовой швидкістю \ Vec v носіїв струму і величиною прикладеної електричного поля \ Vec E

\ Vec v = \ mu \ vec E

При цьому, взагалі кажучи, рухливість є тензором :

\ V_ \ alpha = \ mu_ {\ alpha \ beta} E_ \ beta

Рухливість електронів і дірок залежить від їх концентрації в напівпровіднику (див. малюнок). При великій концентрації носіїв заряду, ймовірність зіткнення між ними виростає, що призводить до зменшення рухливості і провідності.

Розмірність рухливості - м / ( В з).


2. Власна щільність

При термодинамічній рівновазі, щільність електронів напівпровідника пов'язана з температурою наступним співвідношенням:

\ Bar n = \ frac {2} {h ^ 3} (2 \ pi mkT) ^ {3/2} e ^ {- \ frac {E_C-E_F} {kT}}

де:

h - Постійна Планка
m - Маса електрона
T - температура;
E_C - Рівень проведеної зони
E_F - рівень Фермі;

Також, щільність дірок напівпровідника пов'язана з температурою наступним співвідношенням:

\ Bar p = \ frac {2} {h ^ 3} (2 \ pi mkT) ^ {3/2} e ^ {- \ frac {E_F-E_V} {kT}}

де:

h - Постійна Планка;
m - Маса дірки;
T - температура;
E_F - рівень Фермі;
E_V - Рівень валентної зони.

Власна щільність n_i \, пов'язана з \ Bar n і \ Bar p наступним співвідношенням:

\ Bar n \ bar p = n_i ^ 2

3. Види напівпровідників

3.1. За характером провідності

3.1.1. Власна провідність

Напівпровідники, у яких вільні електрони і "дірки" з'являються в процесі іонізації атомів, з яких побудований весь кристал, називають напівпровідниками з власною провідністю. У напівпровідниках із власною провідністю концентрація вільних електронів дорівнює концентрації "дірок".

Провідність пов'язана з рухливістю часток наступним співвідношенням:

\ Sigma = \ frac {1} {\ rho} = q (N_ {\ rm n} \ mu_ {\ rm n} + N_ {\ rm p} \ mu_ {\ rm p})

де \ Rho - Питомий опір, \ Mu_ {\ rm n} - рухливість електронів, \ Mu_ {\ rm p} - Рухливість дірок, N_ {n, p} - Їх концентрація, q - елементарний електричний заряд (1,602 10 -19 Кл).

Для власного напівпровідника концентрації носіїв збігаються і формула приймає вигляд:

\ Sigma = \ frac {1} {\ rho} = qN (\ mu_ {\ rm n} + \ mu_ {\ rm p})

3.1.2. Домішкова провідність

Для створення напівпровідникових приладів часто використовують кристали з домішкової провідністю. Такі кристали виготовляються за допомогою внесення домішок з атомами тривалентного або пятивалентного хімічного елемента.

3.2. По виду провідності

3.2.1. Електронні напівпровідники ( n-типу)

Напівпровідник n-типу

Термін "n-тип" походить від слова "negative", що позначає негативний заряд основних носіїв. Цей вид напівпровідників має домішкову природу. У четирехвалентний напівпровідник (наприклад, кремній) додають домішка пятивалентного напівпровідника (наприклад, миш'яку). У процесі взаємодії кожен атом домішки вступає в ковалентний зв'язок з атомами кремнію. Однак для п'ятого електрона атома миш'яку немає місця в насичених валентних зв'язках, і він переходить на дальню електронну оболонку. Там для відриву електрона від атома потрібна менша кількість енергії. Електрон відривається і перетворюється в вільний. В даному випадку перенесення заряду здійснюється електроном, а не діркою, тобто даний вид напівпровідників проводить електричний струм подібно металам. Домішки, які додають в напівпровідники, внаслідок чого вони перетворюються в напівпровідники n-типу, називаються донорними.

Провідність N-напівпровідників приблизно дорівнює:

\ Sigma \ approx q N_ {\ rm n} \ mu_ {\ rm n}

3.2.2. Діркові напівпровідники ( р-типу)

Напівпровідник p-типу

Термін "p-тип" походить від слова "positive", що позначає позитивний заряд основних носіїв. Цей вид напівпровідників, крім домішкової основи, характеризується діркової природою провідності. У четирехвалентний напівпровідник (наприклад, в кремній) додають невелику кількість атомів тривалентного елемента (наприклад, індію). Кожен атом домішки встановлює ковалентний зв'язок з трьома сусідніми атомами кремнію. Для установки зв'язку з четвертим атомом кремнію в атома індію немає валентного електрона, тому він захоплює валентний електрон з ковалентного зв'язку між сусідніми атомами кремнію і стає негативно зарядженим іоном, внаслідок чого утворюється дірка. Домішки, які додають в цьому випадку, називаються акцепторними.

Провідність p-напівпровідників приблизно дорівнює:

\ Sigma \ approx q N_ {\ rm p} \ mu_ {\ rm p}

4. Використання в радіотехніці

4.1. Напівпровідниковий діод

Напівпровідниковий діод складається з двох типів напівпровідників - діркового і електронного. У процесі контакту між цими областями з області з напівпровідником n-типу в область з напівпровідником p-типу проходять електрони, які потім рекомбінують з дірками. Внаслідок цього виникає електричне поле між двома областями, що встановлює межу поділу напівпровідників - так званий pn перехід. В результаті в області з напівпровідником p-типу виникає некомпенсований заряд з негативних іонів, а в області з напівпровідником n-типу виникає некомпенсований заряд з позитивних іонів. Різниця між потенціалами досягає 0,3-0,6 В.

Зв'язок між різницею потенціалів і концентрацією домішок виражається наступною формулою:

\ Varphi = V_ {\ rm T} \ ln \ left (\ frac {N_ {\ rm n} N_ {\ rm p}} {n_ {\ rm i} ^ 2} \ right)

де V_ {\ rm T} - Термодинамічна напруга, N_ {\ rm n} - Концентрація електронів, N_ {\ rm p} - Концентрація дірок, n_ {\ rm i} - Власна концентрація [2].

В процессе подачи напряжения плюсом на p-полупроводник и минусом на n-полупроводник внешнее электрическое поле будет направлено против внутреннего электрического поля pn перехода и при достаточном напряжении электроны преодолеют pn переход, и в цепи диода появится электрический ток (прямая проводимость). 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). Обратный ток полупроводникового диода не равен нулю, так как в обоих областях всегда есть неосновные носители заряда. Для этих носителей pn переход будет открыт.

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


4.2. Транзистор

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 pn перехода. Область кристалла между двумя переходами называют базой, а внешние области называют эмиттером и коллектором. Самой употребляемой схемой включения транзистора является схема включения с общим эмиттером, при которой через базу и эмиттер ток распространяется на коллектор.

Биполярный транзистор используют для усиления электрического тока.


5. 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 A III B V и A II B VI 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.

Група IIB IIIA IVA VA VIA
Период
2 5 B 6 C 7 N
3 13 Al 14 Si 15 P 16 S
4 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se
5 48 Cd 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Te
6 80 Hg

6. 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 A III B V, 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.


6.1. 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.


7. 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.


8. 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 \omega <E_g / \hbar , Де E_g - ширина запрещённой зоны, \hbar - постійна 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 2\pi/\lambda , Де \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.


9. 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 групу складних напівпровідникових матеріалів входять хімічні сполуки, що володіють напівпровідниковими властивостями і включають в себе два, три і більше хімічних елементів. Напівпровідникові матеріали цієї групи, що складаються з двох елементів, називають бінарними, і так само, як це прийнято в хімії, мають найменування того компонента, металеві властивості якого виражені слабше. Так, бінарні сполуки, що містять миш'як, називають арсеніду, сірку - сульфідами, телур - телуриду, вуглець - карбідами. Складні напівпровідникові матеріали об'єднують по номеру групи Періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва, до якої належать компоненти з'єднання, і позначають літерами латинського алфавіту (A - перший елемент, B - другий і т. д.). Наприклад, бінарна сполука фосфід індію InP має позначення A III B V

Широко застосовуючи отримали наступні сполуки:

A III B V
  • InSb, InAs, InP, GaSb, GaP, AlSb, GaN, InN
A II B V
  • CdSb, ZnSb
A II B VI
  • ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdTe, HgSe, HgTe, HgS
A IV B VI
  • PbS, PbSe, PbTe, SnTe, SnS, SnSe, GeS, GeSe

а також деякі оксиди свинцю, олова, германію, кремнію а також ферит, аморфні скла та багато інших з'єднань (A I B III C 2 VI, A I B V C 2 VI, A II B IV C 2 V, A II B 2 II C 4 VI, A II B IV C 3 VI).

На основі більшості з наведених бінарних сполук можливе отримання їх твердих розчинів: (CdTe) x (HgTe) 1-x, (HgTe) x (HgSe) 1-x, (PbTe) x (SnTe) 1-x, (PbSe) x (SnSe) 1-x та інших.

Сполуки A III B V, в основному, застосовуються для виробів електронної техніки, що працюють на надвисоких частотах

Сполуки A II B V використовують як люмінофорів видимій області, світлодіодів, датчиків Холла, модуляторів.

Сполуки A III B V, A II B VI та A IV B VI застосовують при виготовленні джерел і приймачів світла, індикаторів і модуляторів випромінювань.

Окисні напівпровідникові з'єднання застосовують для виготовлення фотоелементів, випрямлячів і сердечників високочастотних індуктивностей.

Фізичні властивості сполук типу A III B V
Параметри AlSb GaSb InSb AlAs GaAs InAs
Температура плавлення, К 1333 998 798 1873 1553 1218
Постійна решітки, 6,14 6,09 6,47 5,66 5,69 6,06
Ширина забороненої зони Δ E, еВ 0,52 0,7 0,18 2,2 1,32 0,35
Діелектрична проникність ε 8,4 14,0 15,9 - - -
Рухливість, см / (В с):
електронів 50 5000 60000 - 4000 3400 [3]
дірок 150 1000 4000 - 400 460 [3]
Показник заломлення світла, n 3,0 3,7 4,1 - 3,2 3,2
Лінійний коефіцієнт теплового
розширення, K -1
- 6,9 10 -6 5,5 10 -6 5,7 10 -6 5,3 10 -6 -

9.1. Група IV

9.2. Група III- V

  • 3-х компонентні напівпровідники
    • Al x Ga 1-x As
    • InGaAs, In x Ga 1-x As
    • InGaP
    • AlInAs
    • AlInSb
    • GaAsN
    • GaAsP
    • AlGaN
    • AlGaP
    • InGaN
    • InAsSb
    • InGaSb
  • 4-х компонентні напівпровідники
    • AlGaInP, InAlGaP, InGaAlP, AlInGaP
    • AlGaAsP
    • InGaAsP
    • AlInAsP
    • AlGaAsN
    • InGaAsN
    • InAlAsN
    • GaAsSbN
  • 5-ти компонентні напівпровідники
    • GaInNAsSb
    • GaInAsSbP

9.3. Група II- VI

  • 3-х компонентні напівпровідники
    • CdZnTe, CZT
    • HgCdTe
    • HgZnTe
    • HgZnSe

9.4. Група I- VII

9.5. Група IV- VI

  • 3-х компонентні напівпровідники
    • PbSnTe
    • Tl 2 SnTe 5
    • Tl 2 GeTe 5

9.6. Група V- VI

9.7. Група II-V

  • 2-х компонентні напівпровідники

9.8. Інші


9.9. Органічні напівпровідники

9.10. Магнітні напівпровідники


Примітки

  1. Н. С. Зефиров (гол. ред.). Хімічна енциклопедія. - Москва: Велика Російська Енциклопедія, 1995. - Т. 4. - С. 55. - 639 с. - 20 000 екз. - ISBN 5-85270-092-4
  2. Фізичні величини: довідник / А. П. Бабичев Н. А. Бабушкіна, О. М. Бартковський та ін під ред. І. С. Григор'єва, Е. З. Мейліхова. - М.; Вища школа, 1991. - 1232 с - ISBN 5-283-04013-5
  3. 1 2 Індія арсенід - www.xumuk.ru/encyklopedia/1686.html / / Хімічна енциклопедія

Література

  • Тауц Я. Фото-і термоелектричні явища в напівпровідниках. М .: Видавництво іноземної літератури, 1962, 256 с.
  • Тауц Я. Оптичні властивості напівпровідників. М .: Мир, 1967, 74 с.