Материал: Основы механики

Общие сведения о полупроводниках

Большая группа веществ с электронной электропроводностью, удельное сопротивление которых при нормальной температуре лежит между удельными сопротивлениями проводников и диэлектриков, может быть отнесена к полупроводникам. Электропроводность полупроводников в сильной степени зависит от внешних энергетических воздействий, а так же от различных примесей, иногда в ничтожных количествах присутствующих в теле собственного полупроводника.

Управляемость электропроводностью полупроводников температурой, светом, электрическим полем, механическими усилиями положена соответственно в основу принципа действия терморезисторов (термисторов), фоторезисторов, нелинейных резисторов (варисторов), тензорезисторов и т.д.

Наличие у проводников двух типов электропроводности - «электронной» (n) и «электронно-дырочной» (p) позволяет получить полупроводниковые изделия с p-n-переходом.

При существовании в полупроводнике p-n-перехода возникает запрещающий слой, которым обуславливается выпрямительный эффект для переменного тока. Наличие двух и более взаимно связанных переходов позволяет получить управляемые системы - транзисторы.

На использовании возможностей p-n-переходов основаны важнейшие применения полупроводников в электротехнике. Сюда относятся различные типы как мощных, так и маломощных выпрямителей, усилителей и генераторов. Полупроводниковые системы могут быть с успехом использованы для преобразования различных видов энергии в энергию электрического тока с такими значениями коэффициента преобразования, которые делают их сравнимыми с существующими преобразователями других типов, а иногда и превосходящими их.

Примерами полупроводниковых преобразователей могут служить солнечные батареи (с к.п.д. порядка 11%). При помощи полупроводников можно получить и охлаждение на несколько десятков градусов.

Использующиеся в практике полупроводниковые материалы могут быть подразделены на простые полупроводники (элементы); полупроводниковые химические соединения и полупроводниковые комплексы (например, керамические полупроводники); стеклообразные и жидкие полупроводники.

Простых полупроводников существует около десяти, они приведены в таблице. В современной техники особое значение получили германий, кремний и селен.

Таблица 1 Простые электронные полупроводники

Примечание. В некоторых модификациях свойствами полупроводников обладают еще олово (серое), сурьма и углерод.

Изготовленные из полупроводниковых материалов приборы обладают целым рядом преимуществ, к ним относятся:

• 1) большой срок службы;
• 2) малые габариты и вес;
• 3) простота и надежность конструкции, большая механическая прочность (не боятся тряски и ударов);
• 4) полупроводниковые приборы, заменяющие электронные лампы, не имеют цепей накала, потребляют незначительную мощность и обладают малой инерционностью;
• 5) при освоении в массовом производстве они экономически целесообразны.

Контрольные вопросы:

• 1. Проводниковые материалы.
• 2. Материалы высокой проводимости. Сверхпроводники и криопроводники.
• 3. Общие сведения о полупроводниках.

Конспект лекции № 7. Электропроводность полупроводников

Собственные полупроводники. Для полупроводников характерно наличие не очень широкой запрещенной зоны в энергетической диаграмме. Ширина запрещенной зоны элементов в электрон-вольтах приведена в таблице. Для наиболее широко используемых полупроводников она составляет 0,5 - 2,5 эВ.

Рисунок 5 Влияние примесей на энергетическую диаграмму полупроводников: а - собственный полупроводник; б - полупроводник с донорной примесью, электропроводность электронная (n-типа); в - полупроводник с акцепторной примесью, электропроводность дырочная (р-типа).

На рисунке, а приведена энергетическая диаграмма для собственного полупроводника, т.е. такого, у которого электроны в зону свободных энергетических уровней могут поставляться только из валентной зоны. Распределение электронов по уровням энергии, изображенное на рисунке, а, соответствует некоторой температуре, при которой в зону проводимости перешло несколько электронов, образовав в валентной зоне соответствующие число дырок. Так как при каждом акте возбуждения в собственном проводнике одновременно создаются два носителя заряда противоположных знаков, то общее количество носителей заряда будет в два раза больше числа электронов в зоне проводимости т.е:

(1.16)

Индекс i у концентрации электронов и концентрации дырок означает, что это собственные носители зарядов. В рассматриваемом нами случае удельная проводимость

(1.17)

В результате наличия процессов возбуждения и рекомбинации при любой температуре тела устанавливается равновесная концентрация возбужденных носителей:

электронов:

(1.18)

дырок:

(1.19)

где ?щ - ширина запрещенной зоны полупроводника; Nc - число энергетических уровней в единице объема полупроводника в свободной зоне (зоне проводимости); Nb - то же, в валентной зоне. Коэффициент 2 показывает, что на каждом уровне могут находиться два электрона.

Подвижности электронов и дырок неодинаковы. Электроны и дырки обладают различной инерционностью при движении в поле кристаллической решетки полупроводника, т.е. они отличаются различными эффективными массами mn* и mp*. В большинстве случаев mn* < mp*. Отсюда собственная электропроводность полупроводников имеет слабо преобладающий электронный характер.

Примесные полупроводники. Для большинства полупроводниковых приборов используются примесные полупроводники. Поэтому в практике важное значение имеют полупроводники, у которых ощутимая концентрация собственных носителей заряда появляется при возможно более высокой температуре, т. е. полупроводники с достаточно широкой запрещенной зоной. В рабочем интервале температур поставщиками свободных носителей заряда являются примеси.

Примесями в чужеродных полупроводниках служат чужеродные атомы. Кроме того, роль примесей играют всевозможные дефекты кристаллической решетки: пустые узлы, атомы или ионы, оказавшиеся в междоузлии решетки, дислокации или сдвиги, возникающие при пластической деформации кристалла, микротрещины и т.д. Если примесные атомы находятся в узлах кристаллической решетки, то они называются примесями замещения, если в междоузлиях - примесями внедрения.

Доноры. Заполненные при отсутствии внешних энергетических воздействий (тепло, свет) примесные уровни, расположенные в запрещенной зоне около зоны проводимости.

При этом энергия активации примесных атомов меньше, чем ширина запрещенной зоны основного полупроводника, а потому при нагреве тела переброс электронов примеси будет опережать возбуждение электронов решетки.

Положительные заряды, возникшие у отдаленных друг от друга примесных атомов остаются локализованными, т.е. не могут блуждать по кристаллу и участвовать в электропроводности. Полупроводник с такой примесью имеет концентрацию электронов, большую, чем концентрацию дырок, появившихся за счет перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости, и его называют полупроводником n-типа, а примеси, поставляющие электроны в зону проводимости - донорами.

Акцепторы. Другие примеси могут внести незаполненные уровни, располагающиеся в запрещенной зоне основного полупроводника вблизи валентной зоны. Тепловое возбуждение будет в первую очередь забрасывать электроны из валентной зоны на эти примесные уровни.

Ввиду разобщенности атомов примеси электроны, заброшенные на примесные уровни, не участвуют в электрическом токе. Такой полупроводник будет иметь концентрацию дырок, большую, чем концентрация электронов, перешедшую из валентной зоны в зону проводимости, и его относят к р-типу. Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника, называют акцепторами.

Основные и неосновные носители заряда. Те носители, концентрация которых в данном полупроводнике больше, носят название основных, а те, концентрация которых меньше, - неосновных.

Так в полупроводнике n-типа электроны являются основными носителями, а дырки - неосновными. В полупроводнике р-типа основные носители - дырки, а неосновные - электроны. Примесная электропроводность для своего появления требует меньших энергетических воздействий (сотые или десятые доли электрон-вольта), чем собственная, поэтому она обнаруживается при более низкой температуре, чем собственная электропроводность полупроводника.

Воздействие внешних факторов на электропроводность полупроводников

Температурная зависимость концентраций носителей заряда. При росте температуры наблюдается быстрый рост концентрации носителей заряда вследствие перехода электронов через запрещенную зону. Подвижность носителей заряда в полупроводниках с атомной решеткой больше, чем в ионных кристаллах.

Удельное сопротивление полупроводников находим, как:

, (1.20)

щ - энергия активации примесной электропроводности полупроводника при различной концентрации примеси; ?W - ширина запрещенной зоны данного полупроводника.

С повышением температуры число свободных электронов в полупроводнике возрастает, а с понижением температуры до абсолютного нуля - убывает вплоть до нуля. Таким образом, электропроводность веществ при различных температурах может быть существенно различной. Процесс термогенерации - это рост числа электронов, с повышением температуры переходящих из валентной зоны в свободную.

Процесс перехода электрона в свободное состояние сопровождается обратным явлением, т.е. возвратом электронов в валентную зону. Этот процесс называется рекомбинация.

В результате при постоянной температуре в веществе наступает равновесие, т.е. число электронов переходящих в свободную зону равно числу электронов возвращающихся в валентную зону. Энергию, необходимую для перехода электронов в свободное состояние или для образования дырок (освободившееся после ухода электрона из валентной зоны вакантное место), может доставить не только тепловое движение, но и другие источники энергии: свет, поток электронов и ядерных частиц, электронные и магнитные поля, механические воздействия и т.д.

Воздействие света на электропроводность полупроводников. Световая энергия, поглощаемая полупроводниками, вызывает появление в нем избыточного (по сравнению с равновесным при данной температуре) количество носителей зарядов, приводящего к возрастанию электропроводности. Фотопроводимость - это увеличение электрической проводимости под воздействием электромагнитного излучения. Процесс перехода электрона из зоны проводимости в валентную зону, на имеющийся свободный уровень называют прямой рекомбинацией. Разность энергии при этом выделяется в виде кванта электромагнитного излучения или в виде механический колебаний кристаллической решетки. Рекомбинационная ловушка - это на первой ступени процесса электрон захватывается незанятым уровнем ловушки, который находится в запрещенной зоне. В этом состоянии ловушка находится до тех пор, пока к ней не подойдет дырка - осуществляется вторая ступень рекомбинации.