Физические процессы в полупроводниках

Классификация полупроводниковых материалов

Полупроводник - это вещество, основным свойством которого является сильная зависимость его электропроводности от воздействия внешних факторов.

Полупроводники представляют собой большое количество как элементов, так и химических соединений. Полупроводниковыми свойствами обладают как неорганические, так и органические вещества, кристаллические и аморфные, твердые и жидкие, магнитные и немагнитные.

Использующиеся в практике полупроводниковые материалы могут быть подразделены на простые полупроводники, полупроводниковые химические соединения, многофазные полупроводниковые материалы.

К простым полупроводникам относятся 12 элементов системы Д. И. Менделеева: В, С (алмаз), Si, Ge, a-Sn, P, As, Sb, S, Se, Te, J. Однако для современной техники особое применение находят германий и кремний (реже селен).

Полупроводниковыми химическими соединениями являются соединения элементов различных групп таблицы Д.И. Менделеева, соответствующие общим формулам А^m Вⁿ .

К ним относятся такие, как: химические соединения типа А^IIIВ^V( арсенид и фосфид галлия, индия; антимониды индия, галлия; нитриды галлия). Из соединений А^IVВ^IV - прежде всего карбид кремния. Из соединений А^IIВ^VI - сульфиды цинка, кадмия, ртути; селениды и теллуриды цинка, кадмия, ртути. Из соединений А^IVВ^VI - прежде всего сульфиды, селениды и теллуриды свинца. Из твердых растворов наиболее распространены соединения типа А^IIIВ^V: Ga_xAl_1-xAs, Ga_xIn_1-xAs; GaAs_xP_x; InP_xAs_1-x и прочие, а также твердые растворы типа А^IIВ^VI, например, Gd_xHg_1-xTe.

К многофазным полупроводниковым материалам можно отнести материалы с полупроводящей или проводящей фазой из карбида кремния, графита и т.п., сцепленных керамической или другой связкой.

В зависимости от степени чистоты полупроводники подразделяются на собственные и примесные.

Собственный полупроводник - это полупроводник без донорных и акцепторных примесей или с концентрацией примеси настолько малой, что она не оказывает существенного влияния на удельную проводимость полупроводника. В собственном полупроводнике при температуре абсолютного нуля валентная зона полностью заполнена электронами, а зона проводимости свободна от электронов, то есть он ведет себя при абсолютном нуле как диэлектрик.

При температурах, больше 0 К имеет место вероятность того, что некоторые валентные электроны за счет тепловых флюктуаций могут преодолеть запрещенную зону и попасть в зону проводимости. При этом в валентной зоне возникают свободные дырки, то есть разорванная связь. Для собственных полупроводников количество свободных электронов равняется количеству свободных дырок:

n = p; n + p = 2n_i (4.1)

где n, p - концентрация свободных электронов и дырок

n_i – концентрация собственных носителей заряда.

Примесным полупроводником называют такой полупроводник, электрофизические свойства которого определяются примесью. Вследствие того, что количество примесей мало, а расстояние между атомами примеси велико, то их электронные оболочки не взаимодействуют между собою. Поэтому примесные уровни являются дискретными, то есть не расщепляются в зону, как это имеет место для собственных атомов кристаллической решетки.