Как найти собственную проводимость полупроводника

Различают собственные
и примесные полупроводники. К числу
собственных относятся чистые полупроводники
(т.е полупроводники без примесей или с
концентрацией примеси настолько малой,
что она не оказывает существенного
влияния на удельную проводимость
полупроводника). Проводимостьтаких
чистых полупроводников называетсясобственной.

В примесных
полупроводниках электрические свойства
определяются примесями, вводимыми
искусственно в очень малых количествах.
Например, введение в кремний всего лишь
0,001% бора увеличивает его проводимость
при комнатной температуре примерно в
1000 раз.

Проводимость
полупроводников, обусловленная примесями,
называется примесной проводимостью.

На рисунке 5а
показаны энергетические зоны собственного
полупроводника при T=0.

Валентная зона
полностью заполнена электронами, зона
проводимости полностью свободна. Уровень
Ферми располагается по середине
запрещённой зоны. При T=0
тепловое движение отсутствует, а
электрическое поле не может перебросить
электроны из валентной зоны в зону
проводимости, поэтому собственные
полупроводники ведут себя приT=0
как диэлектрики.

При температуре
T>0, часть электронов
с верхних уровней валентной зоны
переходит на нижние уровни проводимости
за счёт энергии теплового движения
(рис.5б). Если приложить внешнее
электрическое поле, то электроны зоны
проводимости будут перемещаться и
создавать электрический ток. Электроны
частично заполненной зоны проводимости
являются отрицательными носителями
заряда. Такая проводимость полупроводников
называется электронной.

а)	б)

Рис.5. Энергетические
диаграммы собственного полупроводника

а – при T=0;
б – приT>0

Энергия, которую
необходимо сообщить полупроводнику,
чтобы электроны могли преодолеть
запрещённую зону, называется энергией
активации. После удаления части электронов
с верхних уровней валентной зоны в ней
образуются вакантные места, дырки,
которые ведут себя во внешнем поле как
частицы с положительным зарядом. Дырки
являются положительными носителями
заряда в полупроводниках. Во внешнем
электрическом поле дырки движутся в
сторону, противоположную электронам.
Такого рода проводимость называется
дырочной. Таким образом, у собственных
полупроводников наблюдается двоякого
рода проводимость: электронная и
дырочная.

Процесс образования
электронно-дырочных пар называется
генерациейносителей.

Одновременно
происходит обратный процесс, называемый
рекомбинацией, когда электрон
возвращается из зоны проводимости в
валентную зону. При этом из проводимости
кристалла исключаются два носителя
зарядов: электрон и дырка.

В собственном
полупроводнике при каждой температуре
устанавливается равновесие между
процессами генерации и рекомбинации,
при котором концентрации электронов и
дырок одинаковы.

4. Примесная проводимость полупроводников

Примесная
проводимость возникает, если некоторые
атомы в узлах решётки полупроводников
замещены атомами, валентность которых
отличается на единицу от валентности
основных атомов.

На рисунке 6 условно
изображена решётка германия. Он имеет
решётку типа решётки алмаза, в которой
каждый атом окружён четырьмя ближайшими
соседями, связанными с ним валентными
связями.

Рис.6. Плоская
модель решетки германия

Предположим, что
часть атомов германия замещена атомами
пятивалентного мышьяка (рис.7). Для
установления связи с четырьмя ближайшими
соседями атом мышьяка использует 4
валентных электрона (рис.7а). Пятый
электрон в образовании связей не
участвует. Он связан со своим атомом
слабее. Энергия связи его составляет
=0,015
эВ. При сообщении электрону такой энергии
он отрывается от атома и приобретает
способность свободно перемещаться в
решётке германия, превращаясь таким
образом в электрон проводимости. На
языке зонной теории этот процесс можно
представить следующим образом. Между
заполненной валентной зоной и зоной
проводимости чистого германия
располагается узкий энергетический
уровень валентных электронов мышьяка
(рис.8) непосредственно у дна зоны
проводимости, отстоя от него на расстоянии=0,015
эВ. Его называют примесным уровнем. При
сообщении электронам примесного уровня
энергии=0,015
эВ они переходят в зону проводимости.
Образующиеся при этом положительные
заряды локализуются на неподвижных
атомах мышьяка, дырки при этом не
образуются.

Примеси, являющиеся
источниками электронов проводимости,
называются донорами, а уровни этих
примесей – донорными уровнями.

Рис.7. Атом мышьяка в решетке германия а) замещение атома GeатомомAs б) отщепление лишнего» электрона от атома	Рис.8. Энергетическая диаграмма германия, содержащего донорную примесь (As)

Предположим теперь,
что в решетке германия часть атомов
замещена атомами трёхвалентного индия
(рис.9а).

Для образования
связей с четырьмя ближайшими соседями
у атома индия не хватает одного электрона.
Его можно «заимствовать» у атома
германия.

Расчёт показывает,
что для этого требуется затрата энергии
порядка 0,015 эВ. Разорванная связь (дырка)
рис.9б не остаётся локализованной, а
перемещается в решётке германия как
свободный положительный заряд «+е». На
рис.10 показаны энергетические зоны
германия, содержащего примесь индия.
Непосредственно у верхнего края
заполненной валентной зоны на расстоянии
=0,015
эВ располагаются незаполненные
энергетические уровни атомов индия.
Близость этих уровней к заполненной
валентной зоне приводит к тому, что уже
при сравнительно низких температурах
электроны из валентной зоны переходят
на примесные уровни. Связываясь с атомами
индия, они теряют способность перемещаться
в решётке германия и в проводимости не
участвуют (электроны захватываются
примесью). Носителями тока являются
лишь дырки, возникающие в валентной
зоне.

Примеси,
захватывающие электроны из валентной
зоны, называются акцепторами, а
энергетические уровни этих примесей –
акцепторными уровнями.

Рис.9. Атом индия в решётке германия а) замещение атома GeатомомIn б) образование дырки	Рис.10. Энергетическая диаграмма германия, содержащего акцепторную примесь (In)

Таким образом, в
отличие от собственной проводимости,
осуществляющейся одновременно электронами
и дырками, примесная проводимость
обусловлена в основном носителями
одного знака: электронами в случае
донорной проводимости и дырками, в
случае акцепторной. Эти носители
называются основными.

Кроме них
полупроводник содержит неосновныеносители заряда, обусловленные переходом
электронов из валентной зоны в зону
проводимости; электронный полупроводник
– дырки, дырочный полупроводник –
электроны. Концентрация неосновных
носителей, как правило, значительно
ниже концентрации основных носителей.

Соседние файлы в папке Fizika_chast_3

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

В полупроводниках основная зона разделена с зоной возбужденных уровней конечным интервалом энергий ∆E. У проводника она получила название валентной, а зона возбужденный состояний – зоной проводимости.

Если T=0 К, то валентная зона заполняется целиком. В этом случае, зона проводимости свободна. Отсюда следует, что вблизи абсолютного нуля полупроводники не способны проводить ток. Отличие диэлектриков и полупроводников состоит в ширине запрещенной зоны ∆E. Диэлектриками считают полупроводники при ∆E>2 эВ.

Собственная и примесная проводимость полупроводников

Если температура увеличивается, электроны начинают производить обмен энергии с ионами кристаллической решетки. Это может стать причиной обретения добавочной кинетической энергии ≈kT. Ее количества достаточно для перевода некоторой части электронов в зону проводимости. Там они способны проводить ток.

В валентной зоне освобождаются квантовые состояния, которые электронами не заняты. Эти состояния называют дырками. Они являются носителями тока.

Электроны способны совершать квантовые переходы в незаполненные состояния. Заполненные состояния в этом случае освобождаются, то есть становятся дырками. В результате чего можно наблюдать появление равновесной концентрации дырок.

При отсутствии внешнего поля ее значение одинаковое по всему объему проводника. Квантовый переход сопровождается его перемещением против поля. Он способен уменьшить значение потенциальной энергии системы. Переход, который связан с перемещением в направлении поля, способен увеличить потенциальную энергию системы. При наличии преобладания количества переходов против поля над переходами по полю через полупроводник начнет протекать ток по движению приложенного электрического поля. Незамкнутый полупроводник характеризуется течением тока до тех пор, пока электрическое поле не будет компенсировать внешнее. Конечный результат такой же, как если бы в качестве носителей тока были не электроны, а положительно заряженные дырки. Отсюда следует, что различают два вида проводимости полупроводников: электронная и дырочная.

Носителя тока в металлах и полупроводниках считаются электроны, а дырки введены формально. Дырки в качестве положительно заряженных частиц не существует. Но перемещение в электрическом поле такое же, как и при классическом рассмотрении положительно заряженных частиц. Небольшая концентрация электронов в зоне проводимости и дырки в валентной зоне позволяют применять классическую статистику Больцмана.

Дырочная и электронная проводимости не связаны с наличием примесей. Ее называют собственной электропроводностью полупроводников.

Если имеется идеально чистый проводник без примесей, то каждому освобожденному электрону при помощи теплового движения или света соответствовало бы образование одной дырки, иначе говоря, количество электронов и дырок, участвующих в создании тока, было бы одинаковое.

Существование идеально чистых полупроводников невозможно, поэтому при необходимости их создают искусственным путем. Даже наличие малого количества примесей способно повлиять на изменение свойств полупроводника.

Примесная проводимость полупроводников

Электропроводность полупроводников, вызванная наличием примесей атомов других химических элементов, называют примесной электрической проводимостью.

Небольшое их количество способно существенно влиять на увеличение проводимости. В металлах происходит обратное явление. Примеси способствуют уменьшению проводимости металлов.

Увеличение проводимости с примесями объясняется тем, что происходит появление дополнительных энергетических уровней в полупроводниках, находящихся в запрещенной зоне полупроводника.

Донорные и акцепторные примеси

Пусть дополнительные уровни в запрещенной зоне появляются около нижнего края зоны проводимости. Если интервал, отделяющий дополнительные уровни энергии от зоны проводимости, мал при сравнении с шириной запрещенной зоны, то произойдет увеличение числа электронов в зоне проводимости, значит, сама проводимость полупроводника возрастет.

Примеси, которые перемещают электроны в зону проводимости, называют донорами или донорными примесями. Дополнительные энергоуровни получили название донорных уровней.

Полупроводники с донорными примесями – это электронные или полупроводники n-типа.

Пусть с введением примеси возникают добавочные уровни около верхнего края валентной зоны. В этом случае электроны из этой зоны переходят на добавочные уровни. Валентная зона характеризуется появлением дырок, так как появляется дырочная электропроводность проводника. Примеси такого рода получили название акцепторных. Дополнительные уровни, располагаемые в них, называют акцепторными.

Полупроводники с акцепторными примесями получили название дырочных или полупроводников p-типа. Имеют место на существование смешанные полупроводники.

Вид проводимости, которым обладает полупроводник, определяют по знаку эффекта Холла.

Легирование – это процесс введение примесей. Если примесный уровень обладает высокой концентрацией, то происходит их расщепление. Перекрытие границ соответствующих энергетических зон считается результатом процесса.

1.    Собственная
проводимость полупроводников.

 По значению удельного электрического
сопротивления полупроводники занимают промежуточное место между
проводниками и диэлектриками. К числу полупроводников относятся многие
химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.), огромное
количество сплавов и химических соединений.

   Качественное отличие
полупроводников от металлов проявляется прежде всего в зависимости удельного
сопротивления от температуры. С понижением температуры сопротивление металлов
падает. У полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивление
возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами.

Зависимость удельного сопротивления ρ чистого полупроводника от абсолютной
температуры T.

   Полупроводниками называются
вещества, удельное сопротивление которых убывает с повышением температуры.

   Такой ход зависимости ρ(T)
показывает, что у полупроводников концентрация носителей свободного заряда не
остается постоянной, а увеличивается с ростом температуры. Механизм
электрического тока в полупроводниках нельзя объяснить в рамках модели газа
свободных электронов. Объяснение явлений, наблюдаемых в проводниках, возможно
на основе законов квантовой механики. Рассмотрим качественно механизм
электрического тока в полупроводниках на примере германия (Ge).

   Атомы кремния имеют четыре
слабо связанных электрона на внешней оболочке. Их называют валентными
электронами. В кристаллической решетке кремния каждый атом окружен
четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле кремния
является ковалентной, то есть осуществляется парами валентных
электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам.

 Валентные электроны в кристалле кремния
гораздо сильнее связаны с атомами, чем в металлах; поэтому концентрация
электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много
порядков меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в
кристалле кремния все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл
электрического тока не проводит. При повышении температуры некоторая
часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва
ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны
проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии,
которые не заняты электронами.

   Вакансии, которые не заняты
электронами получили название дырок.

   Вакантное место может быть
занято валентным электроном из соседней пары, тогда дырка переместиться на
новое место в кристалле. При заданной температуре полупроводника в единицу
времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар.

   В то же время идет обратный
процесс – при встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается
электронная связь между атомами кремния. Этот процесс называется рекомбинацией.

   Рекомбинация – восстановление
электронной связи между атомами.

   Электронно-дырочные пары
могут рождаться также при освещении полупроводника за счет энергии
электромагнитного излучения.

   В отсутствие электрического
поля электроны проводимости и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.

   (Рис 158) Если полупроводник
помещается в электрическое поле, то в упорядоченное движение вовлекаются не
только свободные электроны, но и дырки, которые ведут себя как положительно
заряженные частицы. Поэтому ток I в полупроводнике складывается из
электронного I_n и дырочного I_p токов: I = I_n + I_p

   Электрическим током в полупроводниках называется
направленное движение электронов к положительному полюсу, а дырок к
отрицательному .

   Концентрация электронов
проводимости в полупроводнике равна концентрации дырок: n_n = n_p.
Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (то есть
без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической
проводимостью полупроводников.

   Собственной электрической
проводимостью полупроводников называется электронно-дырочный механизм
проводимости, который проявляется только у чистых (то есть без примесей)
полупроводников.

   При наличии примесей
электропроводимость полупроводников сильно изменяется.

   Примесной проводимостью называется
проводимость полупроводников при наличии примесей.

   Необходимым условием резкого
уменьшения удельного сопротивления полупроводника при введении примесей
является отличие валентности атомов примеси от валентности основных атомов
кристалла.

   Различают два типа примесной
проводимости – электронную и дырочную проводимости.

1.          
Электронная проводимость возникает, когда
в кристалл полупроводника вводится примесь с большей валентностью.

   Например, (рис 159) в кристалл
кремния с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы мышьяка, As.

   На рисунке показан
пятивалентный атом мышьяка, оказавшийся в узле кристаллической решетки кремния.
Четыре валентных электрона атома мышьяка включены в образование ковалентных
связей с четырьмя соседними атомами кремния. Пятый валентный электрон оказался
лишним; он легко отрывается от атома мышьяка и становится свободным. Атом,
потерявший электрон, превращается в положительный ион, расположенный в узле
кристаллической решетки.

   Донорской примесью –
называется примесь из атомов с валентностью, превышающей валентность основных
атомов полупроводникового кристалла.

   В результате ее введения в
кристалле появляется значительное число свободных электронов. Это приводит к
резкому уменьшению удельного сопротивления полупроводника – в тысячи и даже
миллионы раз. Удельное сопротивление проводника с большим содержанием примесей
может приближаться к удельному сопротивлению металлического проводника.

   В кристалле кремния с
примесью мышьяка есть электроны и дырки, ответственные за собственную
проводимость кристалла. Но основным типом носителей свободного заряда являются
электроны, оторвавшиеся от атомов мышьяка. В таком кристалле n_n >> n_p.

   Проводимость, при которой
основными носителями свободного заряда  являются электроны 
называется электронной.

   Полупроводник, обладающий
электронной проводимостью, называется полупроводником
n-типа.

2.          
Дырочная проводимость возникает, когда
в кристалл полупроводника введена примесь с меньшей валентностью.

   Например, в кристалл кремния
введены трехвалентные атомы In.

   На рисунке  160 показан атом
индия, который создал с помощью своих валентных электронов ковалентные связи
лишь с тремя соседними атомами кремния. На образование связи с четвертым атомом
кремния у атома индия нет электрона. Этот недостающий электрон может быть
захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. В этом
случае атом индия превращается в отрицательный ион, расположенный в узле
кристаллической решетки, а в ковалентной связи соседних атомов образуется
вакансия.

   Акцепторной примесью – называется
примесь из атомов с валентностью меньшей, чем валентность основных атомов
полупроводникового кристалла, способных захватывать электроны.

   В результате введения
акцепторной примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и
образуются вакантные места (дырки). На эти места могут перескакивать электроны
из соседних ковалентных связей, что приводит к хаотическому блужданию дырок по
кристаллу.

   Наличие акцепторной примеси
резко снижает удельное сопротивление полупроводника за счет появления большого
числа свободных дырок. Концентрация дырок в полупроводнике с акцепторной
примесью значительно превышает концентрацию электронов, которые возникли из-за
механизма собственной электропроводности полупроводника: n_p >> n_n.

   Проводимость, при которой
основными носителями свободного заряда  являются дырки,  называется дырочной
проводимостью.

   Полупроводник с дырочной
проводимостью называется полупроводником p-типа.

Следует подчеркнуть, что дырочная
проводимость в действительности обусловлена перемещением электронов по
вакансиям от одного атома кремния к другому, которые осуществляют ковалентную
связь.

Зависимость электропроводимости
полупроводников от температуры и освещенности

1.          
У полупроводников с ростом температуры подвижность
электронов и дырок падает, но это не играет заметной роли, так как при
нагревании полупроводника кинетическая энергия валентных электронов
возрастает и наступает разрыв отдельных связей, что приводит к увеличению числа
свободных электронов, т. е. росту электропроводимости.

2.          
При освещении полупроводника в нем
появляются дополнительные носите­ли, что приводит к повышению его
электропроводности. Это возникает в резуль­тате того, что свет
вырывает электроны из атома и при этом одновременно возрастает число электронов
и дырок.

Д/з:
§ 71-72

Полупроводники – это вещества, находящиеся по своей удельной проводимости между проводниками и диэлектриками. В определенных условиях они приобретают свойства проводника и переносят в кристаллической решетке электрические заряды, в иных случаях – блокируют заряженные частицы предельно высоким сопротивлением. Что нужно для протекания этих процессов – рассмотрим далее.

Примеры и особенности материалов

Полупроводники – это особый класс веществ, которые при низкой температуре выступают как диэлектрики, а при высокой – как проводники. Только 13 из 25 неметаллов таблицы Менделеева имеют полупроводниковые свойства. В настоящее время человек использует множество природных полупроводников. Кремний и германий стали самыми распространёнными материалами такого типа, используемыми в промышленности. Кроме кремния в качестве полупроводников используют селен, серое олово, мышьяк, бор, фосфор, серу, теллур, органические вещества и некоторые химические соединения.

Полупроводник сочетает в себе свойства проводников и непроводников. В нормальном состоянии или при перепаде температур он пропускает или блокирует электрический ток. Поведение материала зависит от температуры среды, в которую он помещён. В нормальном состоянии он имеет сопротивление от 10^-6 до 10⁸ Ом·м.

Влияют и сторонние факторы – например, под воздействием света его сопротивление падает, повышается электропроводность. Даже при добавлении в состав небольшого количества примеси электропроводимость полупроводника меняется.

Полупроводники обладают различными свойствами. Кремний, арсенид галлия имеющие оптические свойства, их используют при производстве солнечных батарей и светодиодов. Стекло тоже можно считать полупроводником. В обычном состоянии оно не проводит ток, но при сильном нагреве оно приобретает проводящие свойства. Селен обладает температурной зависимостью. Концентрация свободных носителей заряда уменьшается с ростом температуры, а подвижность носителей заряда увеличивается. Иначе говоря, при увеличении температуры ток начинается протекать быстро и беспрепятственно в кристаллической решетке материала, селен становится проводником.

Механизм электрической проводимости

В полупроводниках, так же как и в металлах, носителями тока становятся электроны. В металлах концентрация электронов в свободном состоянии во много раз больше, чем в полупроводниках. Поэтому в полупроводнике происходят постоянно два противоположных процесса: процесс освобождения электронов и процесс воссоединения с ионом. Дополнительная энергия переводит электрон в свободное состояние.

Немногочисленные свободные электроны отрываются от атома, а они, в свою очередь, становятся ионами. Каждый ион окружается незаряженными атомами. Нейтральные атомы отдают свой электрон иону и превращаются в положительный ион. Другой ион соответственно становится нейтральным. Обмен электронами изменяет нахождение положительных ионов: положительный заряд передвигается. При отсутствии внешнего поля каждому электрону, движущемуся в одном направлении, соответствует движение электрона в противоположном направлении. Похожий процесс происходит с положительным зарядом. При появлении внешнего воздействия проводимость вызывается двумя процессами.

Чем отличаются проводники от полупроводников?

Основные свойства проводника – это высокий уровень проводимости и низкое удельное электрическое сопротивление. Его особенность в наличии свободных электронов, которые способствуют прохождению электрического тока. У проводника, таким образом, проводимость выше.

Полупроводник же от него отличается сильной зависимостью удельной проводимости от температуры, разных типов излучения, электрического поля и от концентрации примесей. Поэтому в полупроводниках образование свободных электронов происходит только при определённых условиях. При повышении температуры проводимость полупроводника возрастает, у проводника при этих условиях падает. Наличие примесей играет обратную роль. Полупроводнику даёт повышенный уровень проводимости, а для проводника – пониженный. Чистый металл обладает большей проводимостью. Эти свойства эффективно применяются в производстве электронных приборов.

Дырка

Полупроводники, в отличие от проводников, имеют «дырки» в своей структуре. «Дырки» – это вакантное электронное состояние в кристаллической решётке, имеющее избыточный положительный заряд. «Дырки» и электроны проводят ток. Важную роль в появлении «дыр» и электронов играют вид и количество примесей в полупроводнике. Определённое число примесей позволяет получать полупроводник с нужными свойствами.

Появление «дырок» связано с температурой внешней среды. При низкой температуре электрон не способен разорвать связь с атомом. Повышение температуры даёт возможность электрону оторваться от ядра. В результате разрыва появляется свободное место, то есть «дырка» с положительным зарядом. Заполняя свободные «дырки», оторвавшиеся электроны восстанавливают связь с другими атомами.

Энергетические зоны

В полупроводниках под воздействием атомов энергетические уровни расщепляются, образуя энергетические зоны. Они состоят из близкорасположенных энергетических уровней, число которых соответствует числу однородных атомов в теле.

Энергетические зоны, которые образовались при расщеплении одного или нескольких уровней атома, называют разрешённой зоной. В ней верхний энергетический уровень называют потолком, а нижний – дном. Валентная зона и зона проводимости составляют уровни разрешённой зоны. Валентная зона является верхней заполненной зоной. Это энергетическая область разрешённых электронных состояний, которая заполняется валентными электронами. Зона проводимости это область, где находятся электроны валентной зоны, перешедшие запрещённую зону – то есть зону, где отсутствуют энергетические уровни.

Наличие запрещённой зоны означает, что для передвижения в зону проводимости электрону необходима большая энергия, чем ширина запрещённой зоны. Она характеризуется разностью энергий дна зоны проводимости и потолка валентной зоны, или шириной запрещённой зоны. Ширина запрещённой зоны меняется в зависимости от температурных показателей среды. Чаще с повышением температуры ширина запрещённой зоны сокращается.

Подвижность

В полупроводнике подвижными являются электроны и «дырки». Подвижностью носителей заряда называют пропорциональность между дрейфовой скоростью носителей заряда и величиной электрического тока. Этот показатель зависит от массы свободных носителей (электронов). Важно, что у электрических зарядов он выше, чем у «дырок».

Все материалы имеют разную подвижность электронов. Она изменяется при температурном воздействии на тело или при добавлении примесей.

С увеличением температуры подвижность сначала увеличивается. Дойдя до максимального уровня, она сокращается.

Увеличение концентрации примесей влечёт уменьшение подвижности, потому что носители заряда рассеиваются на ионах примеси. При малой концентрации примеси происходит обратное, но проводимость может быть невысокой. Это объясняется малым количеством заряженных частиц.

Увеличение напряжённости электрического поля увеличивает дрейфовую скорость заряженных частиц. Она будет увеличиваться, пока не станет тепловой. После подвижность носителей заряда уменьшается.

Какие свойства характеризуют полупроводник?

Полупроводники характеризуются: типом проводимости (электронный и дырочный), удельным сопротивлением, временем существования носителей заряда и плотностью дислокации. Основное свойство полупроводника это увеличение проводимости электрического тока при условии внешнего воздействия.

Электропроводность

В полупроводнике валентные электроны связаны кристаллической решёткой. Проводимость материала обусловлена разрывом связей при помощи внешней энергии. Она должна превышать энергию запрещённой зоны.

Электропроводность зависит от наличия свободных электронов. Они обладают ещё и дырочной электропроводностью, что не наблюдается у металлов.

В полупроводниках между валентной зоной и зоной проводимости находится запрещённая зона. Под воздействием внешних факторов происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводимости. В валентной зоне появляются свободные энергетические уровни. В зоне проводимости образуются свободные электроны, которые называются электронами проводимости.

Электрофизические характеристики

К электрофизическим характеристикам полупроводников относят время существования, ширину запрещённой зоны, температуру, подвижность электронов, удельное сопротивление и энергию ионизации примесей.

Виды полупроводников

По строению различают аморфные, жидкие, кристаллические и стеклообразные полупроводники. Аморфные сильнее подвержены изменениям при термическом воздействии и относительно упорядочены в своей кристаллической структуре: между собой наиболее устойчивые связи имеют только ближайшие атомы. Жидкие полупроводники это вещества, электропроводность которых увеличивается при плавлении. Кристаллический тип характеризуется устойчивыми крепкими связями между частицами материала, которые при нагревании разрушаются, снижая сопротивление при прохождении тока. Стеклообразные проводники сходны с кристаллическими по механизму работы, однако, из-за меньшего объема примесей их электропроводность выше.

По характеру проводимости

По характеру проводимости полупроводники делят на n-тип и р-тип. Полупроводник n-тип имеет примесные элементы, которые называются доноры. Полупроводники и р-тип в основе содержат примеси и характеризуются дырочной проводимостью.

Также существуют простые и сложные полупроводники. Состав первых образован преимущественно атомами одного вещества, примером тому бор, углерод, германий, кремний. Другие состоят их сложной атомарной композиции. Например, халькогениды – это соединения серы, селена и теллура.

Собственная проводимость

Собственной проводимостью полупроводников называется проводимость, обусловленная движением одинакового количества электронов и дырок, которые образуются в результате перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. В идеальном полупроводнике количество электронов и «дырок» одинаково. Ток создаётся равным движением «дырок» и отрицательно заряженных электронов. Электропроводность чистого полупроводника больше при достаточной концентрации электронов и «дырок».

Примесная проводимость

Содержание примесей влияет на свойства полупроводников. Примесная проводимость обычно выше собственной, поэтому легирующие примеси, внедренные в структуру материала, существенно меняют проводимость. Примесным центром может стать:

– атом или ион химического элемента, входящего в состав полупроводника;

– избыточные атомы или электроны, входящие в междоузлие кристаллической решетки;

– дефекты кристаллической решетки: трещины, сдвиги, пустые узлы.

Примеси бывают донорные и акцепторные. Небольшое количество примеси может сильно изменить электропроводность. Это объясняется способностью примесных атомов поставлять в кристаллическую решётку электроны или поглощать электроны, образуя большое количество «дырок». Донорные примеси поставляют электроны проводимости без образования такого же количества «дырок». Акцепторные примеси захватывают валентные электроны и создают подвижные дырки, но число электронов проводимости не увеличивают.

По виду проводимости

Электронные полупроводники (n-типа)

Электронный полупроводник типа n (от латинского negative – отрицательный) содержит в кристаллической решетке основные четырёхвалентные атомы, примесные донорные пятивалентные атомы. В электронном полупроводнике основными носителями заряда являются электроны, а дырки – второстепенными.

Дырочные полупроводники (р-типа)

Дырочный полупроводник или р-тип (от латинского positive – положительный) содержит в структуре примесные трёхвалентные атомы, акцепторы. Свободную связь примесного атома заполняет электрон, который покидает соседнюю связь. Примесный атом превращается в ион, а на том месте, откуда ушел электрон появляется «дырка». В дырочном полупроводнике основными носителями заряда являются «дырки».

Группы полупроводников

Все полупроводники делятся на три группы: атомные, полупроводники с валентными связями и полупроводники с ионной кристаллической решёткой.

Атомные полупроводники имеют атомную кристаллическую решётку. К ним относятся кремний, бор, сера, фосфор, селен.

В полупроводниках с ионной кристаллической решёткой атомы связаны кулоновскими силами, например, сульфид свинца.

В полупроводниках с валентными связями атомы образуют кристаллы в виде большой молекулы. Например, антимонид индия, арсенид галия.

Также полупроводники разделяют на органические и неорганические. Неорганические полупроводники имеют координационную структуру, молекулы в их структуре отсутствуют. Органические состоят из атомов водорода и углерода, иногда – гетероатомов (серы, кислорода, азота).

Также полупроводники делятся на магнитные и немагнитные. Учитывая их свойства, можно менять проводимость материалов, воздействуя на них магнитными силами (полем). Магнитные полупроводники представляют собой ферромагнетики с собственной магнитной подрешёткой, а немагнитные – диамагнитную кристаллическую матрицу. Немагнитные включают в себя элементы, химические соединения, твёрдые растворы.

Практическое применение полупроводников

Полупроводники имеют широкое применение в промышленности, в аналоговой и цифровой электронике. Особенно активно их используют в электронных приложениях для изготовления транзисторов, интегральных схем, тиристоров, симисторов, лазеров, датчиков давления и диодов. Они также играют роль аксессуаров для оптических датчиков и силовых устройств систем передачи электроэнергии. Полупроводники подходят для технологических разработок в области телекоммуникации, систем управления, обработки сигналов в быту и промышленности.

Кремний, благодаря своим оптическим свойствам активно используется для производства солнечных батарей и фотодиодов, но быть источником света не может.

При производстве холодильников, кондиционеров полупроводниковые устройства применяют в системе охлаждения для контроля и поддержания температуры. В микроволновых печах есть полупроводник, необходимый для создания тепла.

Для преобразования бытовой электроэнергии в постоянный ток в зарядных устройствах для телефона и ноутбука используют разные полупроводниковые устройства.

Широкий спектр полупроводников берется для создания электронной связи.

Современные космические технологии не обходятся без полупроводников. Они участвуют в запуске двигателей и поддерживании скорости.

Полупроводниковые устройства применяются в машиностроении для производства устройств контроля, мониторинга местоположения, направления и скорости.

Современные процессоры содержат миллионы полупроводников, которые позволяют обрабатывать большой объём данных и быстро запускать в работу. Поэтому компьютерные системы – она из ключевых сфер, куда внедряется этот тип материалов.

Производство полупроводников

С середины XX века полупроводниковая промышленность стала процветающей отраслью. Вопреки постоянным кризисам, она сейчас стремительно развивается. Основными мировыми производителями являются Южная Корея, Тайвань, Сингапур, Япония, Швейцария, США.

Процесс создания полупроводников состоит из пяти этапов. На первом этапе происходит механическая обработка в основном кремниевых пластин. Затем, чтобы полупроводниковый материал начал проявлять свои способности, пластины очищают жидкостным или газовым травлением и наращивают слой полупроводника. Следующий этап заключается в фотолитографии рельефа на пластине и добавлении примесей. Затем на пластине формируют контакты и пассивные элементы. Дорожки создают из тончайшего металла путём вакуумного напыления.

Из-за сложности производства и себестоимости ни одна страна не производит полупроводники от начала до конца. Процесс производства разделен между заводами нескольких стран. Производство станков и комплектующих, программное обеспечение находятся в разных государствах.

В настоящее время в производители нацелены на создание сверхтонких полупроводников. Уменьшение нанометров влечёт увеличение стоимости, а скорость не изменяется.

Дефицит полупроводников

В последние годы спрос на полупроводники превышает предложение на 30%. Кризис нехватки полупроводниковых устройств охватил 169 отрасли. В частности, производство смартфонов, видеокарт и автопромышленность сильно нуждаются в полупроводниках. Дефицит полупроводниковых компонентов привёл к сокращению выпуска автомобилей. Например, индийский автодилер Maruti Suzuki уменьшил объем производства на 60% из-за нехватки полупроводников.

Сложность и дороговизна производства – это главная причина дефицита полупроводников. Основой чипов в основном является кристалл, который нужно вырастить. Выращивание кристалла процесс долгий и трудоёмкий. Он возможен при наличии необходимой инфраструктуры и условий.

Одна из причин кризиса полупроводников – пандемия коронавируса, вызвавшая резкое возрастание спроса на высокоточное медицинское оборудование. Одним из комплектующих для приборов является полупроводник.

По различным прогнозам, минимальный срок для преодоления кризиса в отрасли составляет 2 года. В настоящий момент полупроводники продолжают расти в цене, а вместе с ними и различное оборудование – от игровых консолей до видеокарт для майнинга криптовалюты.