Загальні відомості і класифікація напівпровідників
РОЗДІЛ 3. Напівпровідникові МАТЕРІАЛИ (лекції 4-5) 4. години
3.1.1 Зонная теорія напівпровідників
Більшість напівпровідників є твердими тілами з регулярною кристалічною структурою, тобто монокристалами. Їх кристалічна решітка складається з безлічі повторюваних і примикають один до одного осередків, що мають певні форму і розміри. При взаємодії великого числа атомів, що утворюють кристал, енергетичні рівні електронів розщеплюються на близько розташовані рівні - «енергетичні зони» - зони дозволених значень енергії і зони заборонених значень енергії.
Різниця між діелектриками і напівпровідниками, з точки зору, зонної теорії, полягає в ширині забороненої зони: якщо ширина забороненої зони # 916; W0 = 0,05-3 еВ - матеріал напівпровідник, якщо значення більше 3 еВ - то матеріал діелектрик.
3.1.2 Основні властивості та характеристики напівпровідникових матеріалів
За питомою опору напівпровідники займають проміжне положення між провідниками і діелектриками. Воно лежить у них в межах 10 -6 - 10 9 Ом * см.
Напівпровідники мають ряд характерних тільки для них властивостей, що різко відрізняються від провідників:
- у великому інтервалі температур їх питомий опір зменшується, тобто вони мають негативний температурний коефіцієнт питомого опору;
- при введенні в напівпровідник мізерної кількості домішок їх питомий опір різко змінюється;
- характерною особливістю напівпровідника є те, що його електропровідність є активованою, тобто викликаної впливом зовнішніх факторів - світла, ядерного випромінювання, електричного і магнітного полів, тиску і т.д.
Напівпровідниковими властивостями володіє цілий ряд матеріалів - природних і синтетичних, органічних і неорганічних, простих і складних за хімічним складом.
3.1.3 Власні і домішкові напівпровідники. види домішок
Як і в металах, електричний струм в напівпровідниках пов'язаний з дрейфом носіїв заряду. Поява носіїв заряду в напівпровідниках визначається цілою низкою чинників, найважливішими з яких є чистота матеріалу і температура. Залежно від ступеня чистоти напівпровідники поділяють на власні і домішкові.
Напівпровідник, в якому в результаті розриву зв'язків утворюється рівна кількість вільних електронів і дірок, називається власним. У кристалі власного провідника кожному електрону в зоні провідності відповідає дірка, залишена ним у валентній зоні. У цьому випадку вільний електрон має енергію, більшою за ту, яку він мав у зв'язаному стані, на величину не менше енергії ширини забороненої зони.
При додатку до кристалу зовнішнього електричного поля вільні електрони будуть переміщатися проти поля (через негативного заряду), а дірки в напрямку поля. Але електрони, хоча і рухаються в протилежному напрямку, створюють звичайний струм, що співпадає із зовнішнім прикладеним полем. Отже, електронний і дірковий струми течуть в одному і тому ж напрямку і тому складаються.
Для більшості напівпровідникових приладів використовуються домішкові напівпровідники.
Напівпровідник, має домішки, називається домішковим, а провідність, створена введеної домішкою, носить назву примесной провідності.
Якщо в напівпровідник IV групи (кремній і германій) ввести елемент V групи таблиці Менделєєва, наприклад миш'як, то атому домішки для завершення ковалентних зв'язків з атомами основної речовини необхідно чотири валентних електрони. П'ятий електрон атома домішки в ковалентного зв'язку не бере. Зі своїм атомом він пов'язаний силою кулонівського взаємодії. Енергія зв'язку з цим невелика - близько сотої частки електрон-вольт. Так, як при кімнатній температурі теплова енергія ≈0,03 еВ, то очевидно, що при цій температурі буде відбуватися іонізація домішкових атомів миш'яку внаслідок відриву п'ятого валентного електрона, який стає вільним. Поряд з іонізацією домішки може відбуватися і іонізація атомів основної речовини. Але в області температур нижче тієї, при якій має місце значна власна провідність, число електронів відірваних від домішки буде значно більше кількості електронів і дірок, які утворилися в результаті розриву ковалентних зв'язків. В силу цього переважну роль в провідності кристала гратимуть електрони, і тому вони називаються основними носіями заряду, а дірки - неосновними. Такий напівпровідник називається електронним або n- типу. а домішка, що віддає електрони, носить назву донорной.
З енергетичних діаграм електронних і доручених напівпровідників видно, що рівні донорів Wд і акцепторів Wа розташовані в забороненій зоні: рівні Wд - поблизу дна зони провідності, а рівні Wа - поблизу стелі валентної зони. Відрив зайвого електрона від донора або додавання відсутнього електрона до акцептора вимагає витрати енергії іонізації Wіон.
3.1.4 Класифікація напівпровідників (прості, хімічні сполуки, комплекси)
До простих напівпровідників відносяться германій, кремній, селен, телур, бор, вуглець, фосфор, сірка, сурма, миш'як, сіре олово, йод.
Також напівпровідниками є сполуки:
Потрійні: CuFeS2. CuAlS2 тощо.
Тверді розчини: GeSi тощо.
До органічних напівпровідників відносяться фталоцианин, нафталін і ін.
3.2.1 Власна і домішкових провідність напівпровідників
Під час відсутності зовнішнього поля вільні електрони і дірки знаходяться в рівноважному стані і здійснюють (при температурі Т ≠ 0 К) хаотичний рух в обсязі напівпровідника, середня теплова швидкість носіїв заряду v велика (наприклад при Т = 300 К швидкість v = 10 5 м / с ).
Електрони і дірки відчувають розсіювання, тобто змінюють напрямок і швидкість свого руху при зіткненнях з вузлами кристалічної решітки, дефектами решітки, атомами домішок. В результаті розсіювання їх встановлюється рівноважний їх розподіл, при цьому середня швидкість руху носіїв заряду v = 0 в будь-якому напрямку.
При дії електричного поля на напівпровідник середня швидкість руху носіїв заряду стає відмінною від нуля в напрямку визначається напрямом напруженості електричного поля Е; вона називається дрейфовой швидкістю. Рух носіїв заряду під впливом електричного поля називається дрейфом.