Полупроводниковые материалы

Полупроводниковые материалы (полупроводники) – вещества, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения.

Удельное сопротивление полупроводников находится в интервале от 10^-5 до 10⁸ (Ом х м) и с повышением температуры уменьшается по экспоненциальному закону.

Типичными, наиболее широко применяемыми полупроводниками являются элементы Германий, Кремний и Теллур.

В настоящее время получено большое количество соединений обладающих свойствами полупроводников.

Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет 0-6 электрон-вольта, например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а Арсенид Индия InAs к узкозонным полупроводникам.

Энергетические зоны полупроводников

В твёрдом теле благодаря взаимодействию атомов энергетические уровни расщепляются и образуют энергетические зоны, состоящие из отдельных близко расположенных по энергии уровней, число которых соответствует числу однородных атомов в данном кристаллическом теле.

Энергетическую зону или совокупность нескольких перекрывающихся энергетических зон, которые образовались в результате расщепления одного или нескольких энергетических уровней отдельного атома, называют разрешённой зоной.

Электроны в твёрдом теле могут иметь энергии, соответствующие разрешённой зоне. Верхний энергетический уровень разрешённой зоны называют потолком, нижний — дном.

Энергетические уровни валентных электронов при расщеплении образуют валентную зону. Разрешённые энергетические уровни, свободные от электронов в невозбуждённом состоянии атома, расщепляясь, образуют одну или несколько свободных зон. Нижнюю из свободных зон называют зоной проводимости.

Важными параметрами материала являются валентная зона и зона проводимости. От их взаимного расположения и от степени их заполнения электронами зависят электрические, оптические и другие свойства твёрдых тел.

Между разрешёнными зонами находятся запрещённые зоны, т. е. области значений энергий, которыми не могут обладать электроны в идеальном кристалле.

Для полупроводников наибольшее значение имеет запрещённая зона, разделяющая валентную зону и зону проводимости. Она характеризуется шириной запрещённой зоны Э, т. е. разностью энергий дна зоны проводимости и потолка валентной зоны.

Ширина запрещённой зоны изменяется с изменением температуры. Происходит это в результате:

• изменения амплитуды тепловых колебаний атомов кристаллической решётки;
• изменений межатомных расстояний, т. е. объёма тела.

Виды полупроводников

По характеру проводимости полупроводники делят на полупроводники с собственной проводимостью и полупроводники с примесной проводимостью.

Электропроводность собственных полупроводников

Полупроводник называют собственным, в случае, когда влияние примесей для него пренибрежимо мало. Собственный полупроводник при температуре абсолютного нуля не имеет свободных носителей в зоне проводимости (в отличие от проводников) и ведёт себя как диэлектрик. В свою очередь различают два типа собственных полупроводников:

• невырожденный собственный полупроводник
• вырожденный собственный полупроводник

Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок».

Проводимость связана с подвижностью частиц соотношением: $$\sigma = \frac{1}{\rho} = q(N_{\rm n} \mu_{\rm n}+N_{\rm p} \mu_{\rm p})$$

где:

• $\rho$ — удельное сопротивление,
• $\mu_{\rm n}$ — подвижность электронов,
• $\mu_{\rm p}$ — подвижность дырок,
• $N_{n,p}$ — концентрация носителей,
• q — элементарный электрический заряд (1,602×10⁻¹⁹ Кл).

Для собственного полупроводника концентрации носителей совпадают и формула имеет вид: $$\sigma = \frac{1}{\rho}= qN(\mu_{\rm n} + \mu_{\rm p})$$

Электропроводность примесных полупроводников

Для создания полупроводниковых приборов часто используют кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами трехвалентного или пятивалентного химического элемента.

Полупроводник, имеющий примеси, называется примесным, а проводимость, созданная примесью, носит название примесной электропроводности.

Виды проводимости полупроводника

Различают полупроводниковые материалы n-типа и p-типа.

Полупроводники n-типа

Полупроводник n-типа

Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. В этой электронной оболочке для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный электрон. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными примесями.

Проводимость полупроводников n-типа приблизительно равна: $$\sigma \approx q N_{\rm n} \mu_{\rm n}$$

Полупроводники р-типа

Полупроводник p-типа

Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными примесями.

Проводимость полупроводников p-типа приблизительно равна: $$\sigma \approx q N_{\rm p} \mu_{\rm p}$$

Прямозонный и непрямозонный полупроводник

Различают два вида полупроводниковых материалов прямозонный полупроводник и непрямозонный полупроводник.

Непрямозонные полупроводники при рекомбинации основных носителей заряда - электронов и дырок не излучают фотонов. Материалы используемые для изготовления светодиодов должны обеспечивать прямые переходы запрещённой зоны (прямозонный полупроводник) с энергиями соответствующими ближней инфракрасной, видимой или ближней ультрафиолетовой области. Типичными полупроводниками с прямозонной энергетической структурой являются GaAs, GaP, GaN, InGaAsP.

При межзонных переходах в непрямозонных полупроводниках необходимо участие третьей частицы с малой энергией, но большим квазиимпульсом. Такой частицей в твердых телах является акустический фонон. Поскольку вероятность излучательных переходов с участием трех частиц ниже, чем двух, то, следовательно, в непрямозонных полупроводниках вероятность излучательной рекомбинации будет всегда меньше, чем в прямозонных.

Для оптоэлектронных устройств предпочтительнее использовать полупроводниковые соединения с прямозонной энергетической структурой, спектральный диапазон которых лежит в области фундаментального поглощения.

Для реализации оптического перехода электрона из состояния 1 (в зоне проводимости) в состояние 2 (в валентной зоне) с испусканием фотона hν, необходим дополнительный процесс рассеяния с участием какого-либо рассеивающего центра или квазичастицы, взаимодействие с которой способно изменить волновой вектор электрона (или дырки). Такими квазичастицами или рассеивающими центрами могут быть кванты колебаний кристаллической решетки (фононы), свободные носители заряда (электроны и дырки), примесные атомы, границы раздела и т. д

Литература

В. В. Пасынков, Л. К. Чиркин, А. Д. Шинков «Полупроводниковые приборы» Учебник для ВУЗов, - 3-е изд., перераб. и доп. - Москва: «Высшая школа» 1981

К. В. Шалимова «Физика полупроводников» Учебник для ВУЗов, - 2-е изд., перераб. и доп. - Москва: «Энергия» 1976