какие металлы используются в полупроводниках

О том что такое полупроводник и как он работает

Полупроводниками (seicomnductor) называют вещества, которые по способности проводить электрический ток занимают промежуточное положение между металлами (проводниками) и диэлектриками (изоляторами).

При качественном анализе механизма проводимости полупроводников обычно используется плоскостной моделью кристаллической решетки.

В химически чистых полупроводниках при температуре абсолютного нуля свободных носителей зарядов нет. С повышением температуры валентные электроны приобретают дополнительную тепловую энергию и некоторые из них (электроны с наибольшими скоростями хаотического теплового движения) могут, разорвать связь с атомами и стать свободными носителями зарядов. Атом, потерявший электрон, становится положительно заряженным ионом. Эти ионы не являются носителями зарядов, так как они жестко связаны межатомными силами.

Электропроводность, при которой электрон последовательно занимает дырку у рядом расположенного атома, т.е. в каждый момент времени в веществе преобладает «свободные» дырки, которые переходят от одного соседнего атома к другому, называется дырочной или электропроводностью p-типа (positive). Электропроводность, обусловленная движением свободных (избыточных) электронов между узлами кристаллической решетки, называется электронной или электропроводностью n-типа (negative).

Как уже упоминалось выше, в полупроводниковых приборах практически не используются химически чистые полупроводники, а применяются главным образом полупроводники с примесями, добавление которых приводит к существенному увеличению числа носителей зарядов. Электропроводность таких полупроводников называется примесной.

Рассмотрим механизм образование зарядов, воспользовавшись снова плоскостной моделью кристаллической решетки. Если в четырехвалентный германий добавить пятивалентное вещество, например сурьму, то пятивалентный атом сурьмы четырьмя валентными электронами образует ковалентную связь с четырьмя соседними атомами германия, а пятый валентный электрон атома сурьмы остается «лишним» и может быть достаточно легко отделен от атома. Такие полупроводники обладают электропроводностью n-типа. Примеси, которые отдают исходному полупроводнику свои электроны, называют донорными.

В примесных полупроводниках концентрация носителей зарядов всегда превышает (в 100 раз и более) концентрация носителей зарядов в исходного вещества. Поэтому удельное электрическое сопротивление примесного полупроводника всегда значительно меньше, чем исходного химически чистого. Однако даже в примесном полупроводнике число носителей зарядов намного меньше числа атомов; они составляют не более 10-4 степени % от общего числа атомов.

Дырки перемещаются только в полупроводнике, причем только между соседними атомами. У положительного полюса дырка возникает за счет отрыва электрона от атома и ухода его во внешнюю цепь. Во внешней цепи ток образуется только за счет электронов проводимости. У отрицательного полюса дырка рекомбинирует с электроном, поступившим из внешней цепи.

Направленное движение носителей зарядов может вызываться не только электрическим полем, но и разной их концентрацией в объеме вещества. Процесс направленного движения носителей зарядов, вызванный их неравномерной концентрацией, носит название диффузии носителей зарядов, а соответствующий ток называют диффузионным в отличие от дрейфового тока.

Источник

Какие металлы используются в полупроводниках

Полупроводники представляют собой весьма многочисленный класс материалов, включающий как отдельные элементы, так и химические соединения, органические и неорганические вещества, кристаллические и аморфные и т.п.

Основу современной электроники составляют неорганические кристаллические полупроводники (см. таблицу 3.1) и их соединения. Ведущее место среди них по целому спектру характеристик (совокупность электрофизических свойств, отработанность технологических процессов производства и т.п.) занимают германий и кремний.

► Германий

Германий стал первым применяться в полупроводниковой технике и на сегодняшний день является наиболее изученным полупроводником, хотя по объемам использованию уступил первенство кремнию. Существование германия и его основные свойства были предсказаны Д.И. Менделеевым, который назвал его экосилицием. Через полтора десятка лет этот элемент действительно был обнаружен в Германии, в честь которой он и получил свое название.

Германий кристаллизуется с образованием кубической пространственной решетки типа алмаза с ковалентной связью, что придает ему твердость.

Технология получения германия показана на рисунке 3.44. Исходное сырье подвергают химической переработке и получают тетрахлорид германия GeCl₄, который представляет собой жидкость с невысокой (83 o С) температурой кипения. Ее подвергают глубокой очистке методами экстракции и ректификации, после чего очищенный тетрахлорид путем гидролиза переводят в двуокись германия реакцией

Элементарный германий получается восстановлением двуокиси чистым водородом:

Процесс водородного восстановления проводится в электрических печах при температуре
650 – 700 o С с использованием графита в качестве тигельного материала. Заключительная стадия восстановительного процесса совмещается с плавлением образующегося порошка германия и направленной кристаллизацией расплава.

Рисунок 3.44 – Технология получения германия

Конечным продуктом технологического процесса являются поликристаллические слитки германия. Использовать их непосредственно в производстве полупроводниковых элементов нельзя из-за большого содержания неконтролируемых примесей. Для производства требуются полупроводниковые материалы высокой чистоты, имеющие только собственную проводимость, которые затем легируются примесями в нужных пропорциях. Степень очистки должная быть такой, чтобы в германии с собственной проводимостью содержалось бы не более одного атома примеси на 10 9 атомов германия. Поэтому для получения германия особой чистоты либо подвергают поликристаллические слитки кристаллизационной очистке, либо выращивают легированные монокристаллы методом вытягивания из расплава.

Наиболее распространенным методом кристаллизационной очистки является метод зонной плавки, основанный на явлении сегрегации примесей, т.е. их неодинаковой растворимости в жидкой и твердой фазах, находящихся в равновесии. Подавляющее большинство примесей, содержащихся в германии, лучше растворяются в жидкой фазе, чем в твердой, поэтому в процессе направленной кристаллизации они эффективно оттесняются межфазной границей в объем расплава.

Процесс зонной очистки германия заключается в следующем (рисунок 3.45). Поликристаллический слиток 1 очищаемого германия, полученный после предварительной очистки, помещается в графитовую или кварцевую «лодочку»-тигель 2 (германий даже в расплавленном состоянии не взаимодействует ни с углеродом, ни с кварцем). Для зонной плавки используется высокочастотный индуктор, витки 3 которого охватывают слиток 1 очищаемого германия. Зонная плавка проводится в вакууме или в защитной (инертной) среде, поэтому тигель 2 заключается в кварцевую трубу 4, по которой непрерывно проходит инертный газ. Высокочастотный индуктор создает узкие зоны плавления 5 слитка (шириной 40–50 мм), и примеси, содержащиеся в германии, растворяются в жидкой фазе.

Рисунок 3.45 – Устройство для зонной плавки

Высокочастотный индуктор медленно перемещается вдоль кварцевой трубки (со скоростью 50–100 мкм/с), и вместе с ним перемещаются в конец слитка, длина которого может достигать 1000 мм и больше, расплавленные зоны с растворившимися в них примесями. В германии обычно присутствуют никель, кальций, медь, марганец, мышьяк, железо, кремний. Большинство этих примесей в результате очистки концентрируется у одного конца слитка. Для глубокой очистки зонную плавку многократно (5–8 раз) повторяют, после чего загрязненную часть длиной 20–25 мм отрезают от слитка и снова подвергают очистке. Поскольку по длине слитка создают не одну, а сразу несколько расплавленных зон, один проход высокочастотного индуктора эквивалентен нескольким циклам очистки.

Удельное сопротивление очищенной части слитка, представляющей собой после многократного прохождения зонной плавки совершенный монокристалл, составляет не менее 0,5 Ом*м.

Вторым способом получения объемного монокристалла германия является метод Чохральского (метод вытягивания монокристалла из расплава), схема установки которого приведена на рисунке 3.46.

Рисунок 3.46 – Схема установки для вытягивания монокристаллов германия из расплава по методу Чохральского

Если в затравке были дефекты кристаллической структуры, то они «наследуются» в монокристалле, ухудшая его свойства, поэтому к затравке предъявляются жесткие требования. Диаметр вытягиваемого монокристалла можно менять, понижая или повышая температуру расплава. Для получения строго постоянного диаметра монокристалла по всей длине температуру расплава необходимо поддерживать постоянной с точностью до десятых долей градуса.

Методом Чохральского можно получать монокристаллы германия диаметром до 100 мм (а иногда и более). Сопротивление этих монокристаллов неодинаково по длине (рисунок 3.47), т.к. их верхняя часть содержит меньше примесей, чем нижняя, вытягиваемая из остатков расплавленного кремния с повышенной концентрацией примеси.

Рисунок 3.47 – Изменение удельного сопротивления по длине монокристалла германия

Для получения германия с определенным значением и требуемым типом электропроводимости при вытягивании монокристалла в него вводят строго контролируемое количество примесей.

Использование монокристаллических слитков германия в технологии изготовления полупроводниковых элементов связано с большими потерями материала при механической обработке (резке, шлифовке и полировке). Поэтому широко используются и другие технологии, например эпитаксиальные. Эпитаксия (англ. epitaxy) — ориентированный рост одного монокристалла на монокристаллической поверхности другого. Важное значение для получения эпитаксиальных слоев высокого кристаллического совершенства имеют чистота поверхности подложки, скорость нанесения материала и температура процесса. Рост эпитаксиальных пленок может происходить из газовой, жидкой или твердой фазы, поэтому различают газофазную, жидкофазную, твердофазную и молекулярно-лучевую эпитаксию.

Монокристаллическая подложка задает параметры роста пленки, поэтому кристаллическая структура и ориентация эпитаксиальной пленки совпадает со структурой и ориентацией подложки. Это свойство является принципиальным отличием эпитаксиального рост от других технологий выращивания тонких пленок. Если состав пленки и подложки совпадают, процесс называют гомоэпитаксией (например, германий на германии), если нет, то гетероэпитаксией (германий на кремнии).

Германий, использующийся для производства полупроводниковых элементов, выпускается различных марок, которые различаются легирующими примесями, значением удельного сопротивления и диффузионной длиной неосновных носителей заряда. Все эти характеристики указываются в маркировке германия (рисунок 3.48). В качестве легирующих примесей чаще всего используют сурьму и галлий как наиболее удобные с технологической точки зрения.

Рисунок 3.48 – Примеры маркировки германия

Германий используется для изготовления диодов, транзисторов, датчиков Холла, тензодатчиков, фототранзисторов, фоторезисторов, оптических линз для инфракрасных лучей с большой светосилой, оптических фильтров и многих других элементов.

Основные физические характеристики германия приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 – Основные физические характеристики наиболее распространенных полупроводников

Источник

Технологии полупроводников. Часть 1

Большинство из вас наверняка прекрасно представляют и понимают, как устроен транзистор и как он работает. Но более глубокими познаниями могут похвастать немногие. Это неудивительно, поскольку данная тематика достаточно сложная для понимания, и описать максимально простым языком все процессы создания и работы транзисторов и чипов очень тяжело. Тем не менее, мы попытались это сделать. О том, что из себя представляет кремний, о транзисторах и их производстве — читайте далее.

Как это работает. Технологии полупроводников. Часть 1

Кремний — главный полупроводник

Так располагается запрещенная зона (bandgap) в кристалле полупроводника – между зоной валентности (valence band) и зоной проводимости (conduction band)

Наш рассказ мы начнем с самого важного материала для компьютерной индустрии — кремния. Его отличительной особенностью, как и у любого другого полупроводника, считается его зонная структура (band structure), которая представляет собой совокупность энергетических уровней, которые образуются большим числом орбитальных положений, на которых могут располагаться электроны. При этом каждый из уровней отделен друг от друга. Тем не менее, можно заметить, что между уровнями постоянно происходит распределение энергии. Происходит это как раз из-за очень большого количества орбитальных положений и их близкого расположения. Тут же стоит отметить, в структуре присутствуют и большие «зазоры», известные как запрещенные зоны (band gaps). По своей сути, запрещенные зоны — это те энергетические уровни, на которых электроны располагаться не могут.

Уровень Ферми для различных материалов: металлов, полуметаллов, полупроводников и изоляторов

В зонной структуре полупроводников существует такой показатель, как уровень Ферми, который на скриншоте выше обозначен как E_F. Он отражает полное количество химической потенциальной энергии для электронов при абсолютном нуле, то есть при температуре 0 градусов по Кельвину. Поэтому если зона располагается над уровнем Ферми, то ее электроны могут отделяться от атомов. Следовательно, они также могут проводить ток. Такая зона называется зоной проводимости. Если же зона располагается ниже уровня Ферми, то ее электроны уже не могут покидать атом. Эта зона носит название зоны валентности.

Стоит сказать, что в идеальном кристалле полупроводника при температуре, стремящейся к абсолютному нулю, уровень Ферми располагается ровно посередине запрещенной зоны. Такое утверждение справедливо также и для изоляторов. Однако, в отличие от изоляторов у полупроводников, запрещенная зона, как правило, довольно узкая, что можно увидеть на скриншоте вверху. В действительности она настолько малая, что электроны даже могут «перепрыгивать» ее. Это происходит потому, что в реальных условиях всегда присутствует еще и тепловая энергия, которая оказывает дополнительное влияние на поведение электронов. Это свойство полупроводников не столь полезно для цифровой логики, как процесс легирования, который может оказывать реальное влияние на структуру каждой зоны. Другими словами, легирование позволяет изменять распределение электронов в зоне валентности и зоне проводимости.

В зависимости от того, как меняется распределение электронов, полупроводники могут быть двух типов: p и n. Если зонная структура изменяется таким образом, что свободные электроны генерируются легче и их становится больше, то такой материал становится полупроводником n-типа. Ну а если создаются электронные «дырки», то это уже полупроводник p-типа. Сама «дырка» представляет собой место, где мог бы располагаться электрон, но его там нет. Несмотря на отсутствие электрона в этом месте, «дырка» все равно может проводить ток. Если еще раз взглянуть на диаграмму полупроводника p-типа, то становится ясно, что его зона валентности находится в непосредственной близости от уровня Ферми. Из-за этого электроны, как правило, остаются в зоне валентности на низших орбиталях. Это означает, что на месте «дырок» могли быть электроны, что делает их носителями заряда. При этом нужно сказать, что приведенная диаграмма зон не совсем корректна. Объясним, почему. Обычно в процессе легирования зоны не только меняют свое расположение. Кроме этого, создаются и новые зоны, что не показано на диаграмме.

Положение равновесия в pn-соединении

Самые интересные процессы начинаются, когда полупроводники p- и n-типов располагаются друг с другом. Поскольку у полупроводников p-типа имеются «дырки», а у материалов n-типа — избыток электронов, то между ними начинается движение (диффузия) электронов, которое пытается уравнять заряд в соединении. Из-за диффузии область соединения полупроводником n-типа становится положительно заряженной, а p-типа — отрицательно заряженной. Это происходит потому, что в процессе диффузии часть соединения n-типа теряет электроны, то есть становится положительно заряженной. Область p-типа, наоборот, получает их и становится отрицательно заряженной. В результате образуется электрическое поле, препятствующее диффузии, и достигается положение равновесия. Та область, где происходит этот процесс, называется слоем обеднения. Такое название этот слой получил по той причине, что в нем практически отсутствуют подвижные носители заряда, из-за чего он не умеет проводить ток.

P-n-соединения чрезвычайно важны в микроэлектронике. Вообще описанная выше система может быть использована как диод, который представляет собой устройство, позволяющее протекать току только в одном направлении. Если подключить аккумулятор положительным полюсом к полупроводнику p-типа, а отрицательным — к полупроводнику n-типа, то электроны и «дырки» обоих полупроводников устремятся к соединению, и слой обеднения значительно уменьшится. И уже это приведет к тому, что через соединение начнет протекать ток.

Транзисторы: MOSFET

Кремний используется в производстве самой главной части любого процессора — транзистора. Существует множество различных методов их изготовления, однако мы остановимся на самой распространенной на сегодня технологии MOSFET (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor, или полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник).

MOSFET-транзистор имеет относительно простой дизайн, однако в то же время существуют некоторые сложности в его имплементации. Такой транзистор состоит из четырех основных частей: истока (source), затвора (gate), стока (drain) и базы (body). Остановимся подробнее на взаимодействии первых трех компонентов.

По большому счету, названия этих частей говорят сами за себя. Исток — это место входа тока, а сток — точка его выхода. Что касается затвора, то он отвечает за протекание тока. Это означает, что в зависимости от приложенного к затвору напряжения (смещения) он может находиться в двух состояниях: включенном (ток протекает) и выключенном (ток не протекает). Здесь также важно отметить, что в зависимости от типа MOSFET-транзистора ток может протекать в обоих направлениях — как из истока в сток, так и наоборот.

Схема MOSFET-транзистора: исток (source), затвор (gate), сток (drain), подложка p-типа (p substrate)

Конечно, транзистор — это не только исток, сток и затвор. В случае с МОП-транзистором n-типа исток и сток — это выводы из области n-типа. Их окружает полупроводниковая подложка p-типа. Ну а в небольшом промежутке между истоком и стоком располагается непосредственно МОП-затвор.

Архитектура затвора в традиционном MOSFET-транзисторе довольно проста. На кремниевую подложку наносится слой диоксида кремния (SiO2), а уже на него накладывается поликремниевый или металлический затвор. Такая структура делает затвор конденсатором, в котором диоксид кремния выступает в роли диэлектрика.

Из курса физики известно, что конденсатор создает электрическое поле в том случае, если между его пластинами существует разница потенциалов. При этом из-за плотности электронов и «дырок» линии электрического поля не могут проходить сквозь проводники. Однако для полупроводников это правило не выполняется.

Источник

Полупроводники – что это такое

Характеристика и определение полупроводников

В таблице Менделеева 25 химических элементов являются неметаллами, из которых 13 элементов обладают полупроводниковыми свойствами. Основное отличие полупроводников от других элементов заключается в том, что их электропроводность существенно возрастает при повышении температуры.

Другой особенностью полупроводника является то, что его сопротивление падает под воздействием света. Причем электропроводимость полупроводников меняется при добавлении в состав незначительного количества примеси.

Полупроводники можно встретить среди химических соединений с разнообразными кристаллическими структурами. Например, такие элементы, как кремний и селен, или двойные соединения наподобие арсенид галлия.

К полупроводниковым материалам могут относиться и многие органические соединения, например полиацетилен (СН)n. Полупроводники могут проявлять магнитные (Cd1-xMnxTe) или сегнетоэлектрические свойства (SbSI). При достаточном легировании некоторые становятся сверхпроводниками (SrTiO3 и GeTe).

Полупроводник можно определить как материал с электрическим сопротивлением от 10-4 до 107 Ом·м. Возможно и такое определение: ширина запрещенной зоны полупроводника должна составлять от 0 до 3 эВ.

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.

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.

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 (Cd_1-xMn_xTe) 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 (La_1-xSr_x)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.

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).

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!

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

Валентность атомов

Атомы, у которых на внешней орбите содержится 6 или 7 электронов, стремятся присоединить к себе 1 или 2 электрона. Про такие атомы говорят, что они одно или двухвалентны. А вот если на внешней орбите атома 1, 2 или 3 электрона, то такой атом стремится их отдать. В этом случае атом считается одно, двух или трехвалентным.

Если на внешней орбите атома содержится 4 электрона, то такой атом предпочитает объединиться с таким же, у которого тоже 4 электрона. Именно так объединяются атомы германия и кремния, использующиеся в производстве транзисторов. В этом случае атомы называются четырехвалентными. (Атомы германия или кремния могут объединяться и с другими элементами, например, кислородом или водородом, но эти соединения в плане нашего рассказа неинтересны.)

Атом германия (кремния) (рис. 3)

На рис. 3 показан атом германия или кремния, желающий объединиться с таким же атомом. Маленькие черные кружочки — это собственные электроны атома, а светлые кружки обозначают места, куда попадут электроны четырех атомов – соседей.

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.

p-n-Переход — это простейшая полупроводниковая структура, которая используется в большинстве полупроводниковых приборов. Для получе­ния p-n-перехода полупроводниковый образец легируют (вводят в него примеси) таким образом, чтобы в одной его части преобладали донорные примеси, а в другой — акцепторные, в результате получают контакт полу­проводника n-типа с полупроводником p-типа.

Основным свойс­твом p-n-перехода является его способность пропускать ток только в одном направлении, если напряжение приложено к образцу так, что про­водимость осуществляется основными носителями тока, как это показано на рисунке выше: «-» со стороны полупроводника n-типа, «+» — со стороны p-типа (электроны из n-области переходят в p-область, и наоборот).

Если теперь поменять полярность приложенного напряжения U, то ток через p-n-переход практически не идет, т. к. переход через контакт осуществляется неосновными носителями, которых мало. Вольт-амперная характеристика р-n-перехода изображена на рисунке ниже.

Симметричная ВАХ

Когда происходит смена полярности напряжения, в полупроводнике ток начинает протекать в обратном направлении. И меняется он по тому же закону. Это говорит о том, что полупроводниковый элемент обладает симметричной вольт-амперной характеристикой. В том случае, если одна часть элемента имеет дырочный тип, а вторая – электронный, то на границе их соприкосновения появляется p-n-переход (электронно-дырочный). Именно такие переходы имеются во всех элементах – транзисторах, диодах, микросхемах. Но только в микросхемах на одном кристалле собирается сразу несколько транзисторов – иногда их количество более десятка.

Оптика полупроводников

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 2πλ<\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.

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.

Как из атомов получаются молекулы

Любой атом находится в стабильном состоянии, если на его внешней орбите находится 8 электронов. Он не стремится забрать электроны у соседних атомов, но не отдает и свои. Чтобы убедиться в справедливости этого достаточно в таблице Менделеева посмотреть на инертные газы: неон, аргон, криптон, ксенон. Каждый из них на внешней орбите имеет 8 электронов, чем и объясняется нежелание этих газов вступать в какие – либо отношения (химические реакции) с другими атомами, строить молекулы химических веществ.

Совсем по-другому обстоит дело у тех атомов, у которых на внешней орбите нет заветных 8 электронов. Такие атомы предпочитают объединиться с другими, чтобы за счет них дополнить свою внешнюю орбиту до 8 электронов и обрести спокойное стабильное состояние.

Вот, например, всем известная молекула воды H2O. Она состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, как показано на рис. 1.

Как создается молекула воды (рис. 1)

В верхней части рисунка показаны отдельно два атома водорода и один атом кислорода. На внешней орбите кислорода находятся 6 электронов и тут же поблизости два электрона у двух атомов водорода. Кислороду до заветного числа 8 не хватает как раз двух электронов на внешней орбите, которые он и получит, присоединив к себе два атома водорода.

Каждому атому водорода для полного счастья не хватает 7 электронов на внешней орбите. Первый атом водорода получает на свою внешнюю орбиту 6 электронов от кислорода и еще один электрон от своего близнеца – второго атома водорода. На его внешней орбите вместе со своим электроном теперь 8 электронов. Второй атом водорода тоже комплектует свою внешнюю орбиту до заветного числа 8. Этот процесс показан в нижней части рис. 1.

На рис. 2 показан процесс соединения атомов натрия и хлора. В результате чего получается хлористый натрий, который продается в магазинах под названием поваренная соль.

Процесс соединения атомов натрия и хлора (рис. 2)

Здесь тоже каждый из участников получает от другого недостающее количество электронов: хлор к своим собственным семи электронам присоединяет единственный электрон натрия, в то время, как свои отдает в распоряжение атома натрия. У обоих атомов на внешней орбите по 8 электронов, чем достигнуто полное согласие и благополучие.

Собственная плотность

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

h <\displaystyle h>— Постоянная Планка; m <\displaystyle m>— масса электрона; T <\displaystyle T>— абсолютная температура; EC<\displaystyle E_> — уровень зоны проводимости; EF<\displaystyle E_> — уровень Ферми.

Также, концентрация дырок полупроводника связана с температурой следующим соотношением:

h <\displaystyle h>— Постоянная Планка. m <\displaystyle m>— эффективная масса дырки; T <\displaystyle T>— абсолютная температура; EF<\displaystyle E_> — уровень Ферми; EV<\displaystyle E_> — уровень валентной зоны.

Собственная плотность

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

h <\displaystyle h>— Постоянная Планка; m <\displaystyle m>— масса электрона; T <\displaystyle T>— абсолютная температура; EC<\displaystyle E_> — уровень зоны проводимости; EF<\displaystyle E_> — уровень Ферми.

Также, концентрация дырок полупроводника связана с температурой следующим соотношением:

h <\displaystyle h>— Постоянная Планка. m <\displaystyle m>— эффективная масса дырки; T <\displaystyle T>— абсолютная температура; EF<\displaystyle E_> — уровень Ферми; EV<\displaystyle E_> — уровень валентной зоны.

Полупроводниковые приборы

Сразу можно привести примеры полупроводниковых приборов – это транзисторы, тиристоры, диоды, и даже микросхемы. Конечно, это далеко не полный список. Чтобы изготовить полупроводниковый прибор, нужно использовать материалы, у которых проводимость дырочная или электронная. Чтобы получить такой материал, необходимо в идеально чистый полупроводник с концентрацией примесей менее 10-11% ввести добавку (ее называют легирующей примесью).

Те примеси, у которых валентность оказывается больше, чем у полупроводника, отдают свободные электроны. Эти примеси называются донорами. А вот те, у которых валентность меньше, чем у полупроводника, имеют свойство хватать и удерживать электроны. Их называют акцепторами. Для того чтобы получился полупроводник, который будет обладать лишь проводимостью электронного типа, в исходный материал достаточно ввести вещество, у которого валентность будет всего на единицу больше. Для примера полупроводников в физике школьного курса рассматривается германий – его валентность равна 4. В него добавляется донор – фосфор или сурьма, у них валентность равна пяти. Металлов-полупроводников немного, они практически не используются в технике.

При этом 4 электрона в каждом атоме осуществляют установку четырех парных (ковалентных) связей с германием. Пятый электрон не имеет такой связи, а значит, он в свободном состоянии. И если приложить к нему напряжение, он будет образовывать электронный ток.

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 Mn_0,7Ca_0,3O_3, 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.

Типы полупроводников в периодической системе элементов

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

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

Дырочная проводимость.

Разрыв валентных связей при увеличении температуры приводит к образованию вакантного места с недостающим электроном, которое имеет эффективный положительный заряд и называется дыркой. Становится возможным переход валентных электронов из соседних связей на ос­вободившееся место. Такое движение отрицательного заряда (электрона) в одном направлении эквивалентно движению положительного заряда (дырки) в противоположном.

Перемещение дырок по кристаллу происходит хаотически, но если к нему приложить раз­ность потенциалов, начнется их направленное движение вдоль электрического поля. Проводи­мость кристалла, обусловленная дырками, называется дырочной проводимостью.

Электронная и дырочная проводимость чистых (беспримесных) полупроводников называется собственной проводимостью полупроводников.

Источник