- Полупроводники, Электропроводность полупроводников, виды и применение

Это окончание невероятной информации про электропроводность полупроводников.

...

после выключения света равна . Считать, что вклад в проводимость, обусловленный излучением, убывает при выключении света экспоненциально (см. рис. 4.18).

4.6. Определить постоянную Холла, подвижность и концентрацию носителей заряда в акцепторном полупроводнике, если в образце полупроводника, изображенном на рис. 4.19 размеры которого заданы, ток протекающий через образец равен , напряжение вызывающее ток, равно , холловская ЭДС мВ, а индукция магнитного поля 0,5 Тл.

Токи в полупроводнике. Дрейф и диффузия

Если между двумя точками есть разность потенциалов φ, то градиент потенциала Е=dj/dx называется напряженностью поля.

Электроны движутся от меньшего потенциала к большему, а дырки навстречу.

где: - плотность полного дрейфового тока;

и - электронная и дырочная составляющая ;

-Vn, Vp – средняя скорость электронов и дырок;

qe, qp – заряд электронов и дырок в единице объема полупроводника;

n, p – концентрация электронов и дырок в полупроводнике;

е и -е – заряд дырки и электрона;

n, р – подвижности электронов и дырок (m=V/ E);

E- напряженность электрического поля.

Отсюда:

где - удельная электропроводность полупроводника.

Подвижности и коэффициенты диффузии связаны

соотношением Эйнштейна: , где μ т- температурный потенциал.

Если электроны и дырки движутся в одну сторону, то это токи встречные, поэтому и появляется знак минус в одной из формул (2.13).

Основные параметры процесса диффузии.

Диффузия характеризуется:

а) Временем жизни неравновесных (избыточных) носителей заряда τn.

Если, за счет какого-либо внешнего воздействия, в одной из областей полупроводника создается неравновесная концентрация носителей заряда n, превышающая равновесную концентрацию no, (разность ∆n = п-по называется избыточной концентрацией), то после отключения этого воздействия, за счет диффузии и рекомбинация, избыточный заряд будет убывать по закону . Это приводит к выравниванию концентраций по всему объему проводника. Время τ, в течение, которого избыточная концентрация ∆n уменьшится в e =2,72 раза (е - основание натуральных логарифмов), называется временем жизни неравновесных носителей.

б) Диффузионная длина.

Если в объем полупроводника левее х<0 создать и поддерживать избыточную концентрацию ∆n = п-по , то за счет диффузии она начнет проникать в область х>0, одновременно рекомбинируя, а следовательно убывая, по закону

Расстояние, Ln на котором избыточная концентрация ∆n = п-по убывает от своего начального значения в e раз называется диффузионной длиной.

Диффузионная длина и время жизни неравновесных носителей заряда связаны соотношением

где Dn- коэффициент диффузии.

В полупроводниковых приборах размеры кристалла конечны, и на его границе (x=W) нерекомбинировавшие носители удаляются.

Тогда граничные условия имеют вид , где W— длина кристалла.

Ecли W<

n(x)=n0+∆n(1- (x/W))

Закон распределения носителей в этом случае линеен (рис. 2.2).

Материалы для производства полупроводников

Для изготовления полупроводниковых приборов применяют простые полупроводниковые вещества: простые - германий Ge, кремний Si, селен Se, сложные полупроводниковые материалы: арсенид галлия GaAs, фосфид галлия GaP и другие.

В чистых полупроводниках концентрация носителей заряда – свободных электронов и дырок мала. Поэтому для придания полупроводнику определенного типа электропроводности в него вносят определенные примеси. Этот процесс называется легированием.

Полупроводник p-типа

Основным носителем заряда являются дырки.
Вещества III группы (Al, Ga) создают дырочную проводимость.

Полупроводник n-типа

Основным носителем заряда является электрон.
Вещества V группы (Ванадий V, Ниобий Nb) создают электронную электропроводность.
Электронно-дырочным или p-n-переходом называют область на границе двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой - дырочную электропроводность.

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:

где — термодинамическое напряжение, — концентрация электронов, — концентрация дырок, — собственная концентрация .

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 обеих 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, разделенных на несколько типов:

• одноэлементные полупроводники IV группы периодической системы элементов,
• сложные: двухэлементные A^IIIB^V и A^IIB^VI из третьей и пятой группы и из второй и шестой группы элементов соответственно.

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

Физические явления в полупроводниках

Диаграмма заполнения электронных уровней энергии в различных типах материалов в равновесном состоянии. На рисунке по высоте условно показана энергия, а ширина фигур — плотность состояний для данной энергии в указанном материале.
Полутона соответствует распределению Ферми — Дирака (черный — все состояния заполнены, белый — состояние пустое).
В металлах и полуметаллах уровень Ферми находится внутри, по меньшей мере, одной разрешенной зоны. В диэлектриках и полупроводниках уровень Ферми находится внутри запрещенной зоны, но в полупроводниках зоны находятся достаточно близко к уровню Ферми для заполнения их электронами или дырками в результате теплового движения частиц.

Физические свойства полупроводников наиболее изучены по сравнению с металлами и диэлектриками. В немалой степени этому способствует огромное количество физических эффектов, которые не наблюдаемы ни в тех, ни в других веществах и связаны с устройством зонной структуры полупроводников и с достаточно узкой запрещенной зоной.

Основным стимулом для изучения полупроводниковых материалов является производство полупроводниковых приборов и интегральных микросхем — это в первую очередь относится к кремнию, но затрагивает и другие полупроводниковые материалы (Ge, GaAs, InP, InSb).

Кремний — непрямозонный полупроводник, оптэлектрические свойства которого широко используются для создания фотодиодов и солнечных батарей, однако на основе кремния трудно создать источник излучения и здесь используются прямозонные полупроводники — соединения типа A^IIIB^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 ведет себя как диэлектрик. При сильном легировании ситуация может поменяться (см. вырожденные полупроводники).

Легирование

Электрические свойства полупроводника могут сильно зависеть от дефектов в кристаллической структуре. Поэтому стремятся использовать очень чистые вещества, в основном, для электронной промышленности.

Легирующие примеси вводят для управления величиной и типом проводимости полупроводника. Например, широко применяемый кремний можно легировать элементами V подгруппы периодической системы элементов — фосфором, мышьяком которые являются донорами и получить кремний с электронным типом проводимости (n-Si). Для получения кремния с дырочным типом проводимости (p-Si) используют элементы III подгруппы бор или алюминий (акцептор). Так же получают компенсированные полупроводники для расположения уровня Ферми в середине запрещенной зоны.

Методы получения

Свойства полупроводников зависят от способа получения, так как различные примеси в процессе роста могут изменить их. Наиболее дешевый 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 пленок — 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 запрещенной зоны. Фотоны с меньшей энергией не вызывают переходов между электронными состояниями полупроводника, поэтому такие полупроводники прозрачны в области частот , где — ширина запрещенной зоны, — 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 поглощенного фотона. Волновое число фотона , где — длина волны, очень мало по сравнению с волновым вектором обратной решетки 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 еще 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 запрещенной зоны. Такие полупроводники очень удобны для использования в оптоэлектронике.

Непрямозонные полупроводники, например, кремний, поглощают в области частот света с энергией кванта чуть больше ширины запрещенной 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 решетки 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 запрещенной 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, трех 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 A^IIIB^V

Широкое применение получили следующие соединения:

A^IIIB^V

• InSb, InAs, InP, GaSb, GaP, AlSb, GaN, InN

A^IIB^V

• CdSb, ZnSb

A^IIB^VI

• ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdTe, HgSe, HgTe, HgS

A^IVB^VI

• PbS, PbSe, PbTe, SnTe, SnS, SnSe, GeS, GeSe

а также некоторые окислы свинца, олова, германия, кремния. Помимо окислов используются феррит, аморфные стекла и многие другие соединения.(A^IB^IIIC₂^VI, A^IB^VC₂^VI, A^IIB^IVC₂^V, A^IIB₂^IIC₄^VI, A^IIB^IVC₃^VI).

На основе большинства из приведенных бинарных соединений возможно получение их твердых растворов: (CdTe)_x(HgTe)_1-x, (HgTe)_x(HgSe)_1-x, (PbTe)_x(SnTe)_1-x, (PbSe)_x(SnSe)_1-x и других.

Соединения A^IIIB^V, в основном, применяются для изделий электронной техники, работающих на сверхвысоких частотах.

Соединения A^IIB^V используют в качестве люминофоров видимой области, светодиодов, датчиков Холла, модуляторов.

Соединения A^IIIB^V, A^IIB^VI и A^IVB^VI применяют при изготовлении источников и приемников света, индикаторов и модуляторов излучений.

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

Группа IV

• собственные полупроводники
  • Кремний — Si
  • Германий — Ge
  • Серое олово — α-Sn
• составной полупроводник
  • Карбид кремния — SiC
  • Кремний-германий — SiGe

Группа III-V

• 2-компонентные полупроводники
  • Антимонид алюминия — AlSb
  • Арсенид алюминия — AlAs
  • Нитрид алюминия — AlN
  • Фосфид алюминия — AlP
  • Нитрид бора — BN
  • Фосфид бора — BP
  • Арсенид бора — BAs
  • Антимонид галлия — GaSb
  • Арсенид галлия — GaAs
  • Нитрид галлия — GaN
  • Фосфид галлия — GaP
  • Антимонид индия — InSb
  • Арсенид индия — InAs
  • Нитрид индия — InN
  • Фосфид индия — InP
• 3-компонентные полупроводники
  • Al_xGa_1-xAs
  • InGaAs, In_xGa_1-xAs
  • InGaP
  • AlInAs
  • AlInSb
  • GaAsN
  • GaAsP
  • AlGaN
  • AlGaP
  • InGaN
  • InAsSb
  • InGaSb
• 4-компонентные полупроводники
  • AlGaInP, InAlGaP, InGaAlP, AlInGaP
  • AlGaAsP
  • InGaAsP
  • AlInAsP
  • AlGaAsN
  • InGaAsN
  • InAlAsN
  • GaAsSbN
• 5-компонентные полупроводники
  • GaInNAsSb
  • GaInAsSbP

Группа II-VI

• 2-компонентные полупроводники
  • Селенид кадмия — CdSe
  • Сульфид кадмия — CdS
  • Теллурид кадмия — CdTe
  • Теллурид платины — PtTe
  • Оксид цинка — ZnO
  • Селенид цинка — ZnSe
  • Сульфид цинка — ZnS
  • Теллурид цинка — ZnTe
  • Теллурид свинца — PbTe
• 3-компонентные полупроводники
  • CdZnTe, CZT
  • HgCdTe
  • HgZnTe
  • HgZnSe

Группа I-VII

• 2-компонентные полупроводники
  • Хлорид меди, CuCl

Группа IV-VI

• 2-компонентные полупроводники
  • Селенид свинца, PbSe
  • Сульфид свинца, PbS
  • Теллурид свинца, PbTe
  • Сульфид олова, SnS
  • Теллурид олова, SnTe
• 3-компонентные полупроводники
  • PbSnTe
  • Tl₂SnTe₅
  • Tl₂GeTe₅

Группа V-VI

• 2-компонентные полупроводники
  • Теллурид висмута, Bi₂Te₃

Группа II—V

• 2-компонентные полупроводники
  • Фосфид кадмия, Cd₃P₂
  • Арсенид кадмия, Cd₃As₂
  • Антимонид кадмия, Cd₃Sb₂
  • Фосфид цинка, Zn₃P₂
  • Арсенид цинка, Zn₃As₂
  • Антимонид цинка, Zn₃Sb₂

Другие

• • CuInGaSe
  • Силицид платины, PtSi
  • Иодид висмута(III), BiI₃
  • Иодид ртути(II), HgI₂
  • Бромид таллия(I), TlBr
  • Иодид меди(II), CuI₂
  • Дисульфид молибдена, MoS₂
  • Селенид галлия, GaSe
  • Сульфид олова(II), SnS
  • Сульфид висмута, Bi₂S₃
• Разные оксиды
  • Диоксид титана, TiO₂
  • Оксид меди(I), Cu₂O
  • Оксид меди(II), CuO
  • Диоксид урана, UO₂
  • Триоксид урана, UO₃

Органические полупроводники

• Тетрацен
• Пентацен
• Акридон
• Перинон
• Флавантрон
• Индантрон
• Индол
• Alq3

Магнитные полупроводники

• Ферромагнетики
  • Оксид европия, EuO
  • Сульфид европия, EuS
  • CdCr₂Se₄
  • GaMnAs
  • Pb_1-xSn_xTe легированный Mn²⁺
  • GaAs легированный Mn²⁺
  • ZnO легированный Co²⁺
• Антиферромагнетики
  • Теллурид европия, EuTe
  • Селенид европия, EuSe
  • Оксид никеля, NiO

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

• Полупроводниковые материалы
• полупроводниковые устройства
• p-n-переход
• Электрические переходы
• Полупроводник p-типа
• Полупроводник n-типа
• Полупроводниковая пластина
• Подложка
• Сверхрешетка
• Гетероструктура
• Технологический процесс в электронной промышленности
• Полупроводниковые приборы
• Интегральная схема

Статью про электропроводность полупроводников я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развитие теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое электропроводность полупроводников, полупроводник, проводимость полупроводников, энергетические уровни, энергетические зоны, собственные полупроводники и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

Продолжение:

Часть 1 Полупроводники, Электропроводность полупроводников, виды и применение
Часть 2 - Полупроводники, Электропроводность полупроводников, виды и применение
Часть 3 - Полупроводники, Электропроводность полупроводников, виды и применение