ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ.

Физические процессы в полупроводниках

Классификация полупроводниковых материалов   Полупроводник - это вещество, основным свойством которого является сильная зависимость его электропроводности от…

Структура и зонные диаграммы собственного и примесного полупроводников

Рассмотрим структуру собственных полупроводников на примере элементарного полупроводника кремния. Этот элемент имеет на внешней электронной оболочке че­тыре электрона и при… Отсюда ясно, почему при Т®0 К проводимость по­лупроводника стремится к нулю: это является следствием того, что все…

Определение типа электропроводности.

Для определения типа электропроводности полупроводника можно использовать эффект Холла. Если пластинку полупроводника поместить в магнитное поле, создающее в ней… F=evB (4.3)

Площадь поперечного сечения пластины

S = x× d (4.6)

где х – ширина, d – толщина пластины.

Зная, что сила тока в проводнике с одним типом носителей заряда

I = nSv_срe (4.7)

Используя выражения (4.3 – 4.5) получим

Численное значение коэффициента Холла можно найти, измерив э.д.с. UX, ток I, магнитную индукцию B и толщину полупроводниковой пластины d. Для полупроводника n-типа получится такое же выражение, только концентрация p… Значение коэффициента Холла Х, входящего в выражение (4.8),справедливо только для вырожденных полупроводников. Более…

Оптические свойства полупроводников

Поглотив фотон, электрон переходит на более высокий энерге­тический уровень. А так как свободные уровни в собственном полу­проводнике есть только в… (4.12) где h = 4,14×10-15 эВ×с—постоянная Планка; с = 3×108 м/с—ско­рость света; n и l— частота и длина…

Полупроводники в сильных электрических полях

Если проводимость g постоянна, то с возрастанием напряжен­ности поля плотность тока будет линейно возрастать. Именно так и обстоит дело в… Свободный электрон, пройдя в полупроводнике под действием электриче­ского поля… Значение составляет Екр≈107 В/м. Такое значение напряжен­ности поля может возникнуть даже при небольших…

Параметры собственных полупроводников

К параметрам собственных полупроводников относятся: ширина запрещенной зоны, эффективная масса носителей заряда, подвижность и концентрация носителей заряда, удельная электропроводность или сопротивление.

 

Ширина запрещенной зоны

Согласно определению полупроводника ширина запрещенной зоны больше 0 и меньше 3 эВ. Ширина запрещенной зоны зависит от температуры согласно: DE=DE0±aT (4.14)

Эффективная масса носителей заряда

Согласно квантовой теории твердого тела поведение электронов, которые находятся в нижней части зоны проводимости, представляется как движение… Таким образом, эффективная масса не только отличается от массы электрона, но и… Эффективная масса носителей заряда обратно пропорциональна ширине той зоны, где он находится. Поскольку ширина…

Подвижность носителей заряда

Подвижностью носителей заряда называется их дрейфовая скорость в поле с единичной напряженностью:   (4.15)

Концентрация собственных носителей заряда

Концентрацией собственных носителей заряда называют количество носителей заряда (электронов и дырок) в единице объема вещества. Для не узкозонных полупроводников и для не очень высокой температуры… (4.18)

Удельная электропроводность

σi = σn+σp = enmn+epmp (4.20)   где σі - удельная электропроводность Ом.см-1:

ПРИМЕСНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ

 

Параметры примесных полупроводников

Для большинства полупроводниковых приборов используют примесные полупроводники. Поэтому в прак­тике важное значение имеют такие полупроводниковые…

Концентрация доноров или акцепторов

Ею называется количество примесных атомов в единице объема вещества. Измеряется в [см^-3]. Обозначается: N_Д - концентрация доноров, N_А - концентрация акцепторов.

Энергия ионизации примеси

По значению энергии ионизации примесь подразделяют на мелкую и глубокую. Если энергия ионизации примеси близка к половине ширины запрещенной зоны,…

Температурная зависимость концентрации свободных носителей заряда

Концентрации свободных носителей заряда - это количество свободных электронов (для донорного) или дырок (для акцепторного) в единице объема полупроводника, определяется в [см-3].

Рассмотрим зависимость концентрации свободных носителей заряда от температуры на примере донорного полупроводника. При температуре, которая равняется 0 К все собственные электроны находятся в валентной зоне, а примесные на примесном уровне. Зона проводимости в этом случае свободна от электронов и полупроводник не проводит электрический ток (рис. 4.12).

В области низких температур при повышении температуры примесные электроны переходят с примесного уровня в зону проводимости (участок 1). Концентрация свободных электронов возрастает согласно:

(4.24)

где N_d - концентрация доноров;

E_d - энергия ионизации доноров.

Этот участок называется участком “вымерзания примеси”.

Дальнейшее возрастание температуры приводит к истощению электронных ресурсов примесных атомов, так как все примесные электроны переходят в зону проводимости (участок 2). Этот участок называют областью “истощения примеси”. В этом случае собственные электроны не имеют достаточной энергии, чтобы преодолеть запрещенную зону. Вот почему концентрация свободных электронов равняется:

n » N_d (4.25)

Если далее повышать температуру, то энергия собственных электронов превысит ширину запрещенной зоны, и в зону проводимости будут переходить собственные электроны, а в валентной зоне возникнут свободные дырки, то есть такой полупроводник поведет себя как собственный.

Такой участок называют участком “собственной проводимости”, а концентрацию свободных носителей заряда можно рассчитать согласно (4.18).

Снимая экспериментально зависимость n=ƒ(T) в широком интервале температур по наклону прямой зависимости ln_n=ƒ(1/T) на участке “вымерзания примеси” (участок 1), можно определить энергию ионизации примеси; по значению полки в области “истощения примеси” (участок 2), можно рассчитать концентрацию доноров; а по наклону прямой в области “собственной проводимости” (участок 3) - рассчитать ширину запрещенной зоны.

 

Подвижность носителей заряда

В отличие от собственных полупроводников в примесных полупроводниках имеет место еще один механизм рассеяния электронов - на ионизированных атомах…   mh = А.Т3/2 ( 4.27)

Температурная зависимость электропроводности примесных полупроводников

Температурная зависимость электропроводности примесных полупроводников более сложная, чем собственных (рис. 4.14). Это связано как с генерацией… На участке “вымерзания примеси” удельная электропроводность полупроводника… σn=еmnn (4.27)

Взаимная компенсация доноров и акцепторов

Рассмотрим случай, когда в полупроводнике есть два типа примесей: мелкие доноры с энергией ионизации Еd и концентрацией Nd и мелкие акцепторы с… В этом случае при достаточно низких температурах все доноры могут лишиться… n - p = Nd - NА (4.31)

Полуизолирующий полупроводник

  До этого времени мы говорили о мелких донорах и акцепторах. В этом случае для… Пусть полупроводник имеет мелкие донорные уровни с энергией Еd и концентрацией Nd. Введем в него глубокую акцепторную…

Кремний

Кремний очень широко распространен в земной коре (до 29,5%). Как материал электроники кремний нашел широкое применение только во второй половине… Кремний имеет кристаллическую решетку типа алмаза, в которой все атомы… Внешне кремний представляет собой темно-серый материал с металлическим блеском, довольно твердый и хрупкий.

Селен

Из элементов VI группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева полупроводниковыми свойствами обладают сера, селен и теллур. Из них в качестве простого полупроводника нахо­дит применение только селен, а теллур и серу используют лишь в составе их соединений — сульфидов и теллуридов, которые будут рассмотрены далее.

Селен (Se) существует в нескольких аллотропических формах, а также в аморфном виде.

Свойства различных модификаций селена весьма сильно отли­чаются друг от друга. В табл. 4.1 приведены основные параметры наиболее устойчивой и широко применяемой гексагональной моди­фикации селена.

Промышленность выпускает селен марок СЧ-1 и СЧ-2, содержа­щих соответственно 99,998% и 99,992% чистого селена с удельной проводимостью около 10^-10 См/м. Для синтеза полупроводниковых соединений применяют особо чистый селен ОСЧ-А с содержанием примесей 10^-5 – 10^-6%, получаемый ректификацией селена СЧ-1. Монокристаллы селена получают осаждением из паровой фазы или выращиванием из расплава. Селен используют также в виде пленок толщиной 50—100 мкм, наносимых на подложки методом испарения в вакууме.

Аллотропическая форма существования селена зависит от спо­соба получения и режима охлаждения расплавленного селена. Из аморфных модификаций селена наибольший интерес представляет стеклообразный селен черного цвета с плотностью 4300 кг/м³. Стек­лообразный селен нашел применение в фотографическом процессе ксерографии, где используется его свойство фотопроводи­мости.

Для производства полупроводниковых приборов используют кристаллический гексагональный селен. Получают его нагреванием селена любой другой аллотропической формы до температуры 180 - 220°С, близкой к температуре плавления. Кристаллохимические особенности гексагонального (серого) селена приводят к зна­чительной анизотропии его механических, электрических и тепло­вых свойств. Например, проводимость и подвижность носителей заряда селена в зависимости от направления относительно кри­сталлографических осей изменяется в 5 раз. По величине удельно­го сопротивления селен близок к диэлектрикам, но, по-видимому, за счет примесей всегда обладает дырочной электропроводностью. В зависимости от способа измерений получают различные значения ширины запрещенной зоны DE =1,2—2 эВ. Селен обладает высо­ким коэффициентом термо-э.д. с., порядка 600 мкВ/К.

Появившийся одним из первых полупроводниковых материалов, селен не потерял своего значения и сегодня. Его используют для изготовления выпрямителей. Широкое применение селен находит при производстве фотоэлектрических приборов: фоторезисторов и фотоэлементов. Это связано с тем, что спектральные характери­стики селеновых фотоэлектрических приборов почти полностью совпадают со спектральной характеристикой глаза. После прекра­щения освещения селена требуется значительное время, чтобы электропроводность его приняла прежнее значение, т. е. время ре­лаксации фотопроводимости селена велико. Селен почти прозрачен в инфракрасной области спектра. Это позволяет использовать его в качестве фильтров и защитных покрытий в при­борах инфракрасного диапазона.

 

СЛОЖНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ

Из сложных полупроводниковых материалов в настоящее время наиболее широкое применение нашли двойные кристаллические соединения типа AmBn, где т+п=… Для получения полупроводниковых материалов с промежуточ­ными значениями… Опыты по получению новых материалов этого типа проводятся даже на борту космических кораблей. Отсутствие силы тяжести…

ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА

 

1. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники. - Г.: Высш.шк., 1986. - 367 с.

2. Пасынков В.В. Материалы электронной техники. - Г.: Высш.шк., 1980. - 406 с.

3. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.Н. Электротехнические материалы. - Л.: Энергоатомиздат, 1985. - 304 с.

 

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

4. Материалы микроэлектронной техники./ Андреев В.М., Бронгулеева А.Н., Дацко С.Н., Яманова Л.В. – М.:Радио и связь, 1989. – 352 с.

5. Материалы для производства изделий электронной техники./Г.Н.Кадыкова, Г.С.Фонарев, В.Д.Хвостикова и др. – М.:Высш.школа, 1987. – 247 с.

6. Штофа Ян Электротехнические материалы в вопросах и ответах.-Г.:Энергоатомиздат, 1984. – 200 с.

7. Справочник по электротехническим материалам. В 3 –х томах.

Т.1/ Под ред. Ю.Б. Корицкого и др.-М.:Энергоатомиздат,1986. – 368 с.

Т.2/ Под ред. Ю.Б. Корицкого и др.-М.:Энергоатомиздат,1987. – 464 с.

Т.3/ Под ред. Ю.Б. Корицкого и др.-Л.:Энергоатомиздат,1988. – 728 с.

8. Беляков В.А. Жидкие кристаллы. – Г.:Знание,1986. – 160 с.

9. Конструкционные и электротехнические материалы./ В.Н.Бородулин, А.С.Воробьев, С.Я.Попов и др.; Под ред. В.А.Филикова.-Г.: Высш.школа, 1990. – 296 с.