Отличительные свойства полупроводников

May 19, 2013 by admin Комментировать »

Среди твердых тел, как хорошо известно, можно выделить определенные группы веществ, отличающихся природой сил, действующих между атомами в твердом теле, и особенностями их зонной структуры, — металлы, полупроводники, диэлектрики.

В металлах преимущественным типом химической связи между атомами является металлический тип связи, а в полупроводниках и диэлектриках — ковалентный или ковалентно-ионный и ионно-ковалентный типы связи соответственно.

С точки зрения зонной структуры1 наиболее важной особенностью металлов является то, что в них верхняя энергетическая зона, содержащая электроны (зона проводимости), имеет незанятые уровни. В диэлектриках и полупроводниках при низких температурах (близких к 0 K) верхняя, целиком заполненная электронами энергетическая зона (валентная зона) отделена от следующей — пустой — зоны разрешенных энергий (зона проводимости) запрещенным участком конечной величины Eg

1Зонная структура образуется всеми возможными электронными состояниями (уровнями энергии) всех атомов, входящих в состав твердого тела. Эти состояния могут быть заполнены электронами или вакантны.

(запрещенной зоной), в котором энергетические уровни электронов отсутствуют. Примеси и дефекты в диэлектриках и полупроводниках могут приводить к появлению уровней в запрещенной зоне, но этих состояний сравнительно мало, так что понятие запрещенной зоны сохраняет смысл.

Полупроводники обычно выделяют в самостоятельную группу веществ. Но если между металлами и диэлектриками имеется качественное различие в зонной структуре, то между диэлектриками и полупроводниками различие только количественное — в величине Eg. Практически многие полупроводники при низких температурах (вблизи 0 К) ведут себя как диэлектрики, а многие диэлектрики при высокой температуре являются полупроводниками. Условно принято считать полупроводниками вещества, у которых при комнатной температуре Eg < 2–3 эВ. Однако следует заметить, что существуют и бесщелевые полупроводники, у которых Eg = 0 (например, HgTe и HgSe).

Обычно металлы кристаллизуются в компактные структуры с плотнейшей упаковкой атомов, они обладают одновременно высокой механической прочностью и высокой пластичностью. Полупроводники имеют, как правило, не плотноупакованную структуру, они хрупки вплоть до весьма высоких температур.

Металлы часто легко образуют сплавы с материалами с иной природой химической связи, полупроводники — плохо.

Металлы непрозрачны для электромагнитных волн от самых низких частот вплоть до середины ультрафиолетовой области спектра; для больших частот металлы становятся прозрачными. Кроме того, они в этой широкой области спектра (от низких частот до середины ультрафиолетовой области) хорошо отражают излучение. Диэлектрики и полупроводники в противоположность металлам прозрачны для электромагнитных волн от низких частот до некоторой граничной частоты, характерной для каждого материала и называемой основной частотой поглощения или краем собственного поглощения. Как правило, диэлектрики и полупроводники прозрачны в видимой области спектра. Часто у диэлектриков и полупроводников перед краем собственного поглощения наблюдаются пики примесного и экситонного поглощения.

Рассматриваемые группы материалов различаются величиной удельного сопротивления ρ (или электропроводности σ). Различие в величине ρ и дало повод к введению термина полупроводники (в смысле плохой проводник). Разделение материалов по значениям удельного сопротивления (электропроводности) условно. Принято относить к диэлектрикам

материалы с  ρ = 1010  ÷ 1020   Ом · см  (σ = 10−20  ÷ 10−10   Ом−1см−1);  к

полупроводникам  материалы  с  ρ = 10−4  ÷ 1010   Ом · см  (σ = 10−10  ÷

1.1.  Отличительные свойства полупроводников                                            9

Рис. 1.1. Характерные температурные зависимости удельного сопротивления в металлах и полупроводниках.

104 Ом−1см−1);  а  к  металлам  материалы  с  ρ  =  10−6  ÷ 10−4  Ом · см (σ = 104 ÷ 106  Ом−1см−1).

В металлах основными носителями заряда, как правило, являются электроны проводимости с энергией, близкой к энергии Ферми EF ; в полупроводниках — электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне; в диэлектриках — ионы.

В металлах легко возникает электрический ток за счет перехода электронов под влиянием приложенного извне слабого электрического поля на свободные верхние уровни в одной энергетической зоне. Большинство свойств металлов обусловлено именно этой низкой энергией возбуждения электронов. В полупроводниках слабое электрическое поле тока вызвать не может (при низких температурах). Здесь для возникновения тока необходимо перебросить часть электронов в незаполненную зону, преодолев при этом энергетический зазор Eg.

Наличие энергетического зазора приводит к различной зависимости

удельного сопротивления от температуры (рис. 1.1). У металлов ρ, как правило, растет с повышением температуры T в первом приближении по степенному закону

ρ= ρ0(1 + αT p),                                     (1.1)

где ρ0 — удельное сопротивление при 0 К, α — температурный коэффициент сопротивления, T — абсолютная температура, p ∼ 1.

У полупроводников, наоборот, ρs  падает с повышением температуры по экспоненциальному закону

ρs = A exp(Ea/kT ),                                     (1.2)

где Ea — энергия активации, k — постоянная Больцмана.

Разная температурная зависимость удельного сопротивления в металлах и полупроводниках связана с различной температурной зависи

мостью концентрации носителей заряда  в них. В случае одного типа носителей

1/ρ = σ = neµ,                                     (1.3)

где n — концентрация электронов, e — заряд электрона, µ — подвижность электронов. В металлах n практически не зависит от температуры, и температурная зависимость σсвязана с температурной зависимостью подвижности электронов, которая определяется рассеянием электронов на любых нарушениях периодичности кристаллической решетки (рассеяние на фононах, рассеяние на дефектах). Кроме того, носители могут рассеиваться друг на друге. С повышением температуры подвижность носителей в металлах всегда падает за счет их более интенсивного рассеяния тепловыми колебаниями атомов (рассеяние на фононах). В полупроводниках температурная зависимость подвижности электронов определяется механизмом рассеяния носителей заряда [6]. Наиболее важные механизмы, определяющие подвижность носителей в полупроводниках, — рассеяние на фононах (см. гл. 2) и заряженных примесях [6]. Температурная зависимость, характерная для этих механизмов рассеяния, носит степенной характер, и обычно подвижность падает с повышением температуры (рассеяние на фононах), как и в металлах. Однако n в полупроводниках экспоненциально увеличивается с повышением температуры, и это обуславливает экспоненциальную зависимость ρ от T.

Удельное сопротивление металлов и полупроводников можно изменить с помощью внешних воздействий (механических, облучения, освещения). В металлах эти воздействия, как правило, уменьшают подвижность µ, и удельное сопротивление увеличивается, причем абсолютная величина этого изменения составляет от нескольких сотых процента до десяти процентов. В полупроводниках µ также меняется, но, кроме того, указанные воздействия изменяют концентрацию носителей заряда, причем это изменение может достигать нескольких порядков. Особенно следует выделить высокую чувствительность полупроводников к освещению, что является основой создания полупроводниковых фотоприемников.

Для полупроводников характерна высокая чувствительность физикохимических свойств к содержанию химических примесей и структурных дефектов, для металлов — существенно меньшая. Действительно, примеси и структурные дефекты могут сильно влиять на физические свойства полупроводников, например, на электрические (проводимость). Одни типы примесей и структурных дефектов не дают никакого эффекта или он совершенно незначителен, другие могут привести к увеличению проводимости на несколько порядков. Действие таких примесей и струк

турных дефектов состоит в основном в том, что они изменяют число носителей заряда. Возможность изменять электрические свойства полупроводника путем точной дозировки добавляемых примесей или путем получения контролируемого числа структурных дефектов имеет огромное технологическое значение и дает основу для массового производства полупроводниковых приборов. Более того, само требование высокой степени чистоты и структурного совершенства явилось одной из основных причин того, что широкое применение полупроводников и развитие полупроводниковой техники стали возможны только с конца 40-х годов этого века, хотя первые упоминания о полупроводниках относятся еще к 1833 году.

Таким образом, различие в типах химической связи приводит к резкому различию энергетических и кристаллических структур материалов и их физических свойств.

Источник: И. А. Случинская, Основы материаловедения и технологии полупроводников, Москва — 2002

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты