Основы теории сплавов Электропроводность диэлектриков Магнитные материалы Полупроводниковые материалы

Классификация и основные свойства проводниковых и полупроводниковых материалов.

Полупроводниками принято называть вещества, электропроводность которых обусловлена перемещением электронов, возбужденных внешними энергетическими воздействиями (нагрев, облучение светом, наложение сильного электрического поля и т.д.).

Важным свойством полупроводников является зависимость электропроводности от интенсивности внешнего энергетического воздействия: электрического или магнитного поля, температуры, длины волны светового потока, освещенности, механического давления и т. д. Возможно и обратное действие — преобразование электрической энергии в тепловую, световую или механическую. Используя эти и другие свойства полупроводниковых материалов, получены различные по назначению приборы и схемы в микроэлектронике, без которых немыслимы современные радио- и телевизионная аппаратура, электронные вычислительные машины, измерительная техника в целом. Разработка технологии изготовления полупроводников с двумя типами проводимости — электронной и дырочной, совмещенными в одном кристалле, позволила получить приборы с p-n-переходом (одним или несколькими), обладающие способностью выпрямлять переменный ток, создавать электрическую емкость, стабилизировать напряжение и т. д. Эти свойства положены в основу работы диодов, транзисторов, тиристоров, варикапов, стабилитронов и др. На базе простого полупроводника кремния было создано новое направление в приборостроении — твердотельная микроэлектроника. Таким образом, применение полупроводниковых материалов произвело подлинную революцию в электро- и радиотехнике.

Большинство приборов изготавливают из пластин, вырезанных из полупроводниковых монокристаллических слитков. Слитки получают методом направленной кристаллизации расплава исходного материала, предварительно очищенного от посторонней примеси и обычно легированного определенным химическим элементом задан­ной концентрации. Для обеспечения одинаковыми параметрами всей партии приборов, изготовленных из одного и того же монокри­сталлического слитка, необходимо, чтобы легирующая примесь была равномерно распределена по всему объему слитка.

В настоящее время насчитывается большое количество типов полупроводниковых приборов, и сфера их применения продолжает расширяться. Каждый прибор в зависимости от требуемых электрических параметров нуждается в полупроводниковом материале с определенными свойствами, это направляет и стимулирует развитие науки и промышленности по производству новых полупроводнико­вых материалов с требуемыми свойствами.

У полупроводников зона проводимости отделена от валентной зоны зоной запрещенных значений энергии. При поглощении валентным электроном кванта энергии большего и равного ширине запрещенной энергетической зоны, электрон переходит в свободную энергетическую зону и получает возможность перемещаться – менять свою энергию. После ухода электрона из валентной зоны в ней остается незанятое место - дырка. Таким образом, при возбуждении атома в нем появляются два носителя заряда противоположных знаков: электрон и дырка. Очевидно, что для того, чтобы электрон покинул валентную зону и перешел в свободную зону нужно повышение его энергии. Чем выше температура полупроводника, тем более вероятна флуктуация энергии и перескок электрона из валентной зоны в свободную.

Организационная диаграмма

Обозначим концентрацию электронов n0i, а концентрацию дырок p0i. Индекс i (от слова intrinsic – собственный, присущий) у концентрации электронов и дырок означает, что это собственные носители заряда. В результате процессов возбуждения и рекомбинации при любой температуре устанавливается равновесная концентрация носителей заряда:

электронов

 (11.1)

и дырок

 (11.2)

где n0i - концентрация электронов;

  p0i- концентрация дырок;

 W -ширина запрещенной зоны.

Коэффициент 2 показывает, что на каждом энергетическом уровне могут быть два электрона.

Проводимость полупроводников будет равна:

 (11.3)

где mп – подвижность электронов;

  mр – подвижность дырок.

Примесные полупроводники, то есть полупроводники содержащие небольшие количества примесей. Роль примесей могут играть также дефекты кристаллической решетки – вакансии, дислокации, границы зерен, поры, трещины.

Если валентность атома примеси и атомов основного материала отличаются, то атомы примесей будут являться источниками свободных электронов или дырок. Избыток электронов на валентной оболочке атома примеси приведет к появлению дополнительных электронов, а недостаток электронов на валентных электронных оболочках атомов приведет к появлению дырок. Атомы примесей, поставляющих в свободную зону свободные электроны, принято называть донорами, а атомы – поставляющие дырки – акцепторами. Влияние примесей на энергетические зоны полупроводников показано на рисунке 11.1.

а) собственный полупроводник, б) полупроводник, содержащий донорные примеси, в) полупроводник, содержащий акцепторные примеси

Рисунок 11.1 - Влияние легирования на энергетические зоны

 полупроводников

Величина образовавшегося зерня, зависит от соотношения ч.ц и с.р. При малых дельта Т (степенях охлаждения) число центров мало, а скорость роста значительна, отсюда образуются крупное зерно. С увеличением дельта Т ч.ц увеличивается, а с.р уменьшается, отсюда мелкое зерно. Размер зерна сильно влияет на свойство металла,например вязкость и пластичность выше, если металл имеет мелкое зерно.
Электротехнические материалы