Полупроводники

широкий класс веществ, характеризующихся значениями электропроводности σ, промежуточными между электропроводностью металлов (См. Металлы) (σ Полупроводники 106—104 ом-1 см-1) и хороших диэлектриков (См. Диэлектрики) (σ ≤ 10-10—10-12 ом-1см-1, электропроводность указана при комнатной температуре). Характерной особенностью П., отличающей их от металлов, является возрастание электропроводности σ с ростом температуры, причём, как правило, в достаточно широком интервале температур возрастание происходит экспоненциально. Σ = σ0ехр (-EA/кТ). (1) Здесь k — Больцмана постоянная, EA — энергия активации электронов в П., (σ0 — коэффициент пропорциональности (в действительности зависит от температуры, но медленнее, чем экспоненциальный множитель).

С повышением температуры тепловое движение разрывает связи электронов, и часть их, пропорциональная exp (—EA/kT), становится свободными носителями тока. Связь электронов может быть разорвана не только тепловым движением, но и различными внешними воздействиями. Светом, потоком быстрых частиц, сильным электрическим полем и т.д. Поэтому для П. Характерна высокая чувствительность электропроводности к внешним воздействиям, а также к содержанию примесей и дефектов в кристаллах (См. Дефекты в кристаллах), поскольку во многих случаях энергия EA для электронов, локализованных вблизи примесей или дефектов, существенно меньше, чем в идеальном кристалле (См. Идеальный кристалл) данного П. Возможность в широких пределах управлять электропроводностью П.

Изменением температуры, введением примесей и т.д. Является основой их многочисленных и разнообразных применений. Полупроводники и диэлектрики. Классификация полупроводников. Различие между П. И диэлектриками является скорее количественным, чем качественным. Формула (1) относится в равной мере и к диэлектрикам, электропроводность которых может стать заметной при высокой температуре. Точнее было бы говорить о полупроводниковом состоянии неметаллических веществ, не выделяя П. В особый класс, а к истинным диэлектрикам относить лишь такие, у которых в силу больших значений EA и малых σ0 электропроводность могла бы достигнуть заметных значений только при температурах, при которых они полностью испаряются. Однако термин «П.» часто понимают в более узком смысле, как совокупность нескольких наиболее типичных групп веществ, полупроводниковые свойства которых четко выражены уже при комнатной температуре (300 К).

Примеры таких групп. 1) Элементы IV группы периодической системы элементов (См. Периодическая система элементов) Менделеева Германий и Кремний, которые как П. Пока наиболее полно изучены и широко применяются в полупроводниковой электронике (См. Полупроводниковая электроника). Атомы этих элементов, обладая 4 валентными электронами, образуют кристаллические решётки типа Алмаза с ковалентной связью (См. Ковалентная связь) атомов, Сам алмаз также обладает свойствами П., однако величина EA для него значительно больше, чем у Ge и Si, и поэтому при Т = 300 К его собственная (не связанная с примесями или внешними воздействиями) электропроводность весьма мала. 2) Алмазоподобные П. К ним относятся соединения элементов III группы периодической системы (Al, Ga, In) с элементами V группы (Р, As, Sb), называются П.

Типа AIII BV (GaAs, InSb, GaP, InP и т.п.). Атомы III группы имеют 3 валентных электрона, а V группы — 5, так что среднее число валентных электронов, приходящееся на 1 атом, в этих соединениях равно 4 (как и у Ge и Si). Каждый атом образует 4 валентные связи с ближайшими соседями, в результате чего получается кристаллическая решётка, подобная решётке алмаза с той лишь разницей, что ближайшие соседи атома AIII — атомы BV а соседи атома BV — атомы AIII. За счёт частичного перераспределения электронов атомы AIII и BV в такой структуре оказываются разноимённо заряженными. Поэтому связи в кристаллах AIII BV не полностью ковалентные, а частично ионные (см. Ионная связь). Однако ковалентная связь в них преобладает и определяет структуру, в результате чего эти кристаллы по многим свойствам являются ближайшими аналогами Ge и Si.

Соединения элементов II и VI групп периодической системы — AIIBVI (ZnTe, ZnSe, CdTe, CdS и т.п.) также имеют в среднем 4 валентных электрона на 1 атом, но ионная связь у них более сильно выражена. У некоторых из них ковалентная связь преобладает над ионной, у других она слабее, но и те и другие обладают свойствами П., хотя и не столь ярко выраженными, как в предыдущих группах. Представление о «средней четырёхвалентности» и «алмазоподобных» П. Оказалось плодотворным для поиска новых П., например типа AIIBIVC2V (ZnSnP2, CdGeAs2 и т.п.). Многие из алмазоподобных П. Образуют сплавы, которые также являются П., например Ge — Si, GaAs — GaP и др. 3) Элементы VI и V групп и их аналоги. Элементы VI группы Te и Se как П.

Были известны раньше, чем Ge и Si, причём Se широко использовался в выпрямителях электрического тока и Фотоэлементах. Элементы V группы As, Sb и Bi — Полуметаллы, по свойствам близкие к П., а их ближайшие аналоги — соединения типа AIV и BVI (PbS, PbTe, SnTe, GeTe и т.п.), имеющие в среднем по 5 валентных электронов на атом, образуют одну из наиболее важных групп П., известную в первую очередь применением PbS, PbSe и PbTe в качестве приёмников инфракрасного излучения (См. Инфракрасное излучение). Вообще среди соединений элементов VI группы (О, S, Se, Te) с элементами I—V групп очень много П. Большинство из них мало изучены. Примером более изученных и практически используемых могут служить Cu2O (купроксные выпрямители) и Bi2Te3 (Термоэлементы).

4) Соединения элементов VI группы с переходными или редкоземельными металлами (Ti, V, Mn, Fe, Ni, Sm, Eu и т.п.). В этих П. Преобладает ионная связь. Большинство из них обладает той или иной формой магнитного упорядочения (Ферромагнетики или Антиферромагнетики). Сочетание полупроводниковых и магнитных свойств и их взаимное влияние интересно как с теоретической точки зрения, так и для многих практических применений. Некоторые из них (V2O3, Fe3O4, NiS, EuO и др.) могут переходить из полупроводникового состояния в металлическое, причём превращение это происходит очень резко при изменении температуры. Органические П. Многие органические соединения также обладают свойствами П. Их электропроводность, как правило, мала (σ Полупроводники 10-10 ом-1см-1) и сильно возрастает под действием света.

Однако некоторые органические П. (кристаллы и Полимеры на основе соединений тетрацианхинодиметана TCNQ, комплексы на основе фталоцианина, перилена, виолантрена и др.) имеют при комнатной температуре σ, сравнимую с проводимостью хороших неорганических П. Электроны и дырки в полупроводниках. Т. К. В твёрдом теле атомы или ионы сближены на расстояние Полупроводники атомного радиуса, то в нём происходят переходы валентных электронов от одного атома к другому. Такой электронный обмен может привести к образованию ковалентной связи. Это происходит в случае, когда электронные оболочки соседних атомов сильно перекрываются и переходы электронов между атомами происходят достаточно часто. Эта картина полностью применима к такому типичному П., как Ge.

Все атомы Ge нейтральны и связаны друг с другом ковалентной связью. Однако электронный обмен между атомами не приводит непосредственно к электропроводности, т.к. В целом распределение электронной плотности жестко фиксировано. По 2 электрона на связь между каждой парой атомов — ближайших соседей. Чтобы создать проводимость в таком кристалле, необходимо разорвать хотя бы одну из связей (нагрев, поглощение фотона и т.д.), т. Е., удалив с неё электрон, перенести его в какую-либо др. Ячейку кристалла, где все связи заполнены и этот электрон будет лишним. Такой электрон в дальнейшем свободно может переходить из ячейки в ячейку, т.к. Все они для него эквивалентны, и, являясь всюду лишним, он переносит с собой избыточный отрицательный заряд, т.

Е. Становится электроном проводимости. Разорванная же связь становится блуждающей по кристаллу дыркой, поскольку в условиях сильного обмена электрон одной из соседних связей быстро занимает место ушедшего, оставляя разорванной ту связь, откуда он ушёл. Недостаток электрона на одной из связей означает наличие у атома (или пары атомов) единичного положительного заряда, который, таким образом, переносится вместе с дыркой. В случае ионной связи (См. Ионная связь) перекрытие электронных оболочек меньше, электронные переходы менее часты. При разрыве связи также образуются электрон проводимости и дырка — лишний электрон в одной из ячеек кристалла и некомпенсированный положительный заряд в др. Ячейке. Оба они могут перемещаться по кристаллу, переходя из одной ячейки в другую.

Наличие двух разноимённо заряженных типов носителей тока — электронов и дырок является общим свойством П. И диэлектриков. В идеальных кристаллах (См. Идеальный кристалл) эти носители появляются всегда парами — возбуждение одного из связанных электронов и превращение его в электрон проводимости неизбежно вызывает появление дырки, так что концентрации обоих типов носителей равны. Это не означает, что вклад их в электропроводность одинаков, т.к. Скорость перехода из ячейки в ячейку (подвижность) у электронов и дырок может быть различной (см. Ниже). В реальных кристаллах, содержащих примеси и дефекты структуры, равенство концентраций электронов и дырок может нарушаться, так что электропроводность осуществляется практически только одним типом носителей (см.

Ниже). Зонная структура полупроводников. Полное и строгое описание природы носителей тока в П. И законов их движения даётся в рамках квантовой теории твёрдого тела (См. Твёрдое тело), основные результаты которой могут быть сформулированы следующим образом. А) В кристаллах энергетический спектр электронов состоит из интервалов энергий, сплошь заполненных уровнями энергии (См. Уровни энергии) (разрешенные зоны) и разделённых друг от друга интервалами, в которых электронных уровней нет (запрещённые зоны) (рис. 1). Б) Различные состояния электрона в пределах каждой зоны характеризуются, помимо энергии, Квазиимпульсом р, принимающим любые значения в пределах некоторых ограниченных областей в импульсном пространстве (р-пространстве), называются зонами Бриллюэна.

Форма и размеры зоны Бриллюэна определяются симметрией кристалла (См. Симметрия кристаллов) и его межатомными расстояниями d. Величина рмакс ≤ h/d, где h — Планка постоянная. Уравнение движения электрона проводимости в кристалле похоже на уравнение движения электрона в вакууме с той, однако, существенной разницей, что соотношения E = р2/m0 и υp = p/m0 (m0 — масса свободного электрона, E — его энергия, р — импульс, υ — скорость) заменяются более сложной и индивидуальной для каждого кристалла и каждой его энергетической зоны зависимостью E (p). Υp = 0 К тепловое движение «выбрасывает» часть электронов из валентной зоны в зону проводимости (т. Е. Разрушает часть химических связей. См. Выше). В валентной зоне при этом появляются дырки (рис.

2). Носители тока в П. Сосредоточены, как правило, в довольно узких областях энергий. Электроны — вблизи нижнего края (дна) зоны проводимости Ec, на энергетических расстояниях ПолупроводникиkT от неё (kT — энергия теплового движения). Дырки — в области такой же ширины вблизи верхнего края (потолка) валентной зоны Eυ. Даже при самых высоких температурах (Полупроводники 1000°) kT Полупроводники 0,1 эв, а ширина разрешенных зон обычно порядка 1—10 эв. В этих узких областях ПолупроводникиkT сложные зависимости E (p), как правило, принимают более простой вид. Например, для электронов вблизи дна зоны проводимости. Здесь индекс i нумерует оси координат, p0i — квазиимпульсы, соответствующие Ec в зоне проводимости или Eυ в валентной зоне.

Коэффициенты mэi называются эффективными массами электронов проводимости. Они входят в уравнение движения электрона проводимости подобно m0 в уравнении движения свободного электрона. Всё сказанное справедливо для дырок валентной зоны, где .