Полупроводниковые материалы

 

К полупроводниковым относятся материалы, обладающие удельным сопротивлением в пределах 10^-5…10⁸ Ом*м. Их отличительными особенностями от других материалов являются:

– уменьшение удельного сопротивления при увеличении температуры (отрицательный ТКρ);

– введение в полупроводник малого количества примесей резко изменяет его удельное сопротивление (электрическую проводимость);

– полупроводники чувствительны к внешним воздействиям различного рода: свету, электрическому и магнитным полям, давлению, температуре и другим, что предопределяет их применение в различных датчиках.

К простым полупроводникам относятся: германий, кремний, селен; к сложным – соединения различных элементов: арсениды (арсенид галлия GaAs и другие), фосфиды (фосфид галлия GaP), антимониды (антимонид индия JnSb), сульфиды (GaS), тройные соединения элементов (CuAsS₂) и другие.

Появление носителей заряда (электронов и дырок) определяется чистотой материала и температурой. Полупроводник, в котором имеется равное количество свободных электронов и дырок, называется собственным.Они по структуре монокристаллы и отличаются высокой степенью чистоты. Количество примесей не должно превышать одного атома на миллион атомов полупроводника.

Для большинства полупроводниковых приборов используются примесные полупроводники, получаемые на основе собственных введением в них строго определенного количества соответствующей примеси: донорной (примесь имеет лишний электрон, который она отдает и он становится свободным, а атом примеси ионизируется, электропроводность такого полупроводника называется электронной, или n-типа); или акцепторной (примесь захватывает электрон и ионизирует атом основного вещества, образуется дырка, электропроводность такого полупроводника называется дырочной, или p-типа). Донорными примесями служат химические элементы As, S, Se, P, Sb, акцепторными – B, Al, Ga, In.

Как и в проводниковых материалах, электропроводность полупроводника можно определить показанной выше зависимостью (1): σ = е*n*μ. Но необходимо учитывать указанные в начале параграфа отличительные особенности полупроводника: 1. Электропроводность полупроводника определяется свободными носителями – электронами и дырками, т.е. равна их сумме; 2. Концентрация и подвижность дырок и электронов в примесном полупроводнике разная. С учетом этого зависимость электропроводности полупроводника при комнатной температуре на основе выражения (1) запишется

σ = е_n*n_n*μ_n + е_p*n_p*μ_p , (3)

где индексы n и p относятся соответственно к электронам и дыркам.

Концентрация и подвижность свободных носителей в полупроводниках зависит от температуры, поэтому и удельная электропроводность также будет зависеть от температуры. Установлено, что для концентрации свободных носителей заряда характерна экспоненциальная зависимость их от температуры, а для подвижности – степенная, которая слабее экспоненциальной. Ограничимся графическим представлением зависимости электропроводности полупроводнике от температуры (рисунок 33) в полулогарифмическом масштабе.

С возрастанием концентрации примесей электропроводность увеличивается. С увеличением температуры в области низких температур повышение удельной проводимости полупроводника обусловлено увеличением концентрации свободных носителей заряда за счет ионизации примесей (участки ab, de, kl, рисунок 33). При определенной температуре наступает истощение примеси – ее полная ионизация, собственная же электропроводность еще не проявляется. В этих условиях концентрация свободных носителей от температуры не зависит, и температурная зависимость удельной проводимости полупроводника определяется зависимостью подвижности носителей заряда от температуры (рисунок 33, участки bc, ef, lm). Эти участки зависимости соответствуют рабочими температурам в полупроводниковых приборах.

Резкое увеличение удельной проводимости при дальнейшем росте температуры соответствуют области собственной электропроводности (рисунок 33, участок ос).

Полупроводниковые материалы находят широкое применение в различных полупроводниковых приборах (диоды, транзисторы, микросхемы), датчиках (давления, тензо-фото-термодатчики, датчики Холла и другие), в оптоэлектронике и многих других областях.