Будова і властивості напівпровідників

План

1. Будова і властивості напівпровідників.

2. Власна та домішкова провідність напівпровідників.

3. Контактна різниця потенціалів.

4. Контактні явища в напівпровідниках.

5. Застосування напівпровідників.

1. Будова і властивості напівпровідників

За якими ж ознаками з величезної кількості речовин, що існують у природі чи можуть бути створені штучно, вибирають ті речовини, які сьогодні називають напівпровідниками? Пригадайте, як залежить опір металевих провідників від температури. Якщо взяти металевий, наприклад залізний, провідник і нагрівати його в полум'ї свічки, то сила струму в колі зменшуватиметься. Якщо при цьому напруга на ділянці кола підтримується сталою, то можна зробити висновок, що з підвищенням температури опір металевих провідників зростає. Графік такої залежності зображено на малюнку.

Якщо ж нагрівати напівпровідникову речовину, то сила струму в колі зростатиме. Отже, на відміну від металевих провідників, опір яких під час нагрівання зростає, опір напівпровідників зменшується з підвищенням температури.

Саме за цією ознакою і вибирають напівпровідникові речовини, що використовуються в сучасній техніці. Причина такої залежності полягає в тому, що під час нагрівання напівпровідників у них різко зростає кількість вільних носіїв заряду, які можуть утворювати струм.

Зменшення опору сірчистого срібла (Ag2S) ще в 1833 р. спостерігав видатний англійський учений М. Фарадей. Сьогодні ця властивість напівпровідників широко використовується в приладах, що називаються термісторами — датчиками температури в електричних термометрах, терморегуляторах тощо. Пізніше, а саме у 1873 p., В. Сміт спостерігав зміну опору кристалічного селену під час освітлення, що стало основою для виготовлення фоторезисторів — складової приладів для вимірювання світлових величин, вмикання світла з настанням темряви чи його вимикання зі сходом сонця (так звані фотореле).

Дослідження показали, що на властивості напівпровідників впливають рентгенівські промені, радіоактивне випромінювання, магнітні поля, механічні деформації та ін. З усього сказаного можна зробити висновок: напівпровідники — це речовини, які за своїм питомим опором займають проміжне місце між провідниками і діелектриками. Опір напівпровідників під час нагрівання зменшується, він також залежить від освітленості, різних видів випромінювання тощо.

До напівпровідників належать деякі речовини, утворені хімічними елементами (Силіцій, Германій, Селен та ін.), а також оксиди (Cu2O, ZnO та ін.), сульфіди (PbS, Ag2S, CdS та ін.) та велика кількість природних і штучних речовин. Винятково важливі властивості напівпровідників зумовили їх широке використання в техніці.

Розрізняють електропровідність напівпровідників власну і домішкову.

2. Власна та домішкова провідність напівпровідників

Власна провідність напівпровідників, зумовлену електронами, називають електронною провідністю або провідністю n -типу. У зовнішньому полі електрон валентної зони може переміщуватись на місце дірки на вищому сусідньому рівні, а дірка з’являється на тому місці, звідки вийшов електрон. Такий процес заповнення дірок електронами рівнозначний переміщенню дірки в напрямі поля. Провідність власних напівпровідників, зумовлена квазічастинками – дірками, називають дірковою провідністю або провідністю p -типу.

Отже, у власних напівпровідниках спостерігається два механізми провідності – електронний і дірковий.

Домішкова провідність. Під домішками розуміють введені у кристалічну решітку атоми інших елементів. Домішки відіграють подвійну роль. В одних випадках вони є додатковими постачальниками електронів у кристалі, атоми таких домішок називають донорами. Домішки, атоми яких є центрами захоплення електронів у кристалах називаються акцепторами – споживачами.

Розглянемо домішкову електронну провідність на прикладі германію з домішками атомів миш’яку. Германій – чотиривалентний елемент, а миш’як– п’ятивалентний. Коли в кристалічній решітці атом германію заміщується атомом миш’яку, чотири електрони миш’яку утворюють міцний парноелектронний зв’язок з чотирма сусідніми атомами германію, а п’ятий електрон миш’яку слабо зв’язаний із своїм атомом, легко робиться вільним навіть при кімнатній температурі. Домішкові атоми миш’яку є донорами електронів. Під впливом електричного поля в напівпровіднику буде струм провідності. такий напівпровідник має властивість електронної домішкової провідності, або провідності n -типу.

Домішкову діркову провідність германій матиме тоді, коли домішковий елемент буде тривалентний, наприклад, індій, бор. Коли атом германію заміщується атомом індію, останній утворює міцний зв’язок тільки з трьома валентними електронами германію і для утворення повного парноелектронного зв’язку не вистачає одного електрона. Тому один з електронів сусіднього атома германію заповнює в атомі індію валентний четвертий зв’язок. Атоми індію стають центрами захоплення електронів. На місці електрона, який відірвався від германію, з’являється “позитивна дірка”. Ця дірка заповнюється електроном від сусіднього атома германію. Процес повторюється: дірки безладно переміщується в об’ємі напівпровідника. Під впливом електричного поля дірки утворюватимуть струм.

3. Контактна різниця потенціалів

При дотиканні двох різних металів між ними виникає різниця потенціалу, яку називають контактною.

Виникнення контактної різниці потенціалів між двома різними за природою металевими провідниками можна пояснити неоднаковою роботою виходу електронів з них та різною концентрацією вільних електронів в цих провідниках. Відповідно контактну різницю потенціалів U поділяють на зовнішню Ue і внутрішню Ui.

Розглянемо контактну різницю потенціалів на прикладі двох металів 1 і 2. Вважатимемо, що їхні температури однакові і дорівнюють абсолютному нулю. Вважатимемо, що робота виходу електрона з металу 1 менша від роботи виходу з металу 2. Після дотикання провідників електрони з металу 1 переходитимуть у метал 2 і навпаки. За припущенням робота виходу з першого провідника менша від роботи виходу з другого, то більш інтенсивний перехід електронів буде з першого провідника в другий. В результаті, метал 1 заряджатиметься позитивно, а метал 2– негативно. Умовою рівноваги електронного газу в провідниках є рівність їхніх хімічних

потенціалів. У металі 1, всі рівні опускаються вниз на величину ΔE = eϕ₁, а

в металі 2– піднімуться вгору на величину ΔE =−eϕ₂ відносно своїх положень у незарядженому стані цих металів.

Коли хімічні потенціали 1 і 2 металів встановляться у динамічну рівновагу, то їй відповідатиме різниця потенціалів між нульовими рівнями металів 1 і 2:

U_e = ¹ (A₂ − A₁ ) (1)

e

Цю різницю потенціалів – зовнішньою контактною різницею потенціалів.

Є ще внутрішня різниця потенціалів:

U_i = ¹ (µ₁ − µ₂ ) (2)

e

Підставивши у (2) виразенергії Фермі:

2 h² ⎛ 3n ⎞3

µ = ⎜⎟, (3)

⁰8m ⎝ π ⎠

отримаємо

2 _h2 _{⎛ 3 ⎞}3 _⎛ 22 _⎞U_i = ⎜⎟⎜n₁3 − n₂3 ⎟ (4) 8me ⎝π ⎠⎝ ⎠

Звідси видно, що виникнення внутрішньої контактної різниці потенціалів зумовлене різницею концентрацій електронного газу в металах. На основі уявлень класичної електронної теорії дістали вираз внутрішньої різниці потенціалів:

κTn₁

U_i = ln (5)

en

Результуюча контактна різниця потенціалів дорівнює сумі її складових. Тоді на основі (1) і (4) можна записати

2 A₁ − A₂ h² ⎛ 3 ⎞⎛ ²² ⎞

U = + ⎜⎟⎜n₁3 − n₂3 ⎟ (6)

e 8me ⎝ π ⎠⎝ ⎠

На основі уявлень класичної електронної теорії контактна різниця потенціалів виражатиметься

A₁ − A₂ κΤ n₁

U =+ ln (7)

e en

Явище виникнення контактної різниці потенціалів відкрив А. Вольт в 1797 р.

4. Контактні явища в напівпровідниках

Щоб дістати електронно-дірковий перехід (р-n-перехід), потрібно в одному і тому самому кристалі напівпровідника створити тоненьку межу напівпровідника з різними типами провідності. Найпростіше це можна зробити так званим сплавним методом. Тут показано структуру германієвого діода.

За основу беруть пластинку з монокристала германію, що має провідність n-типу. Зверху кладуть шматочок тривалентної домішки, наприклад індію, і нагрівають до 450-500 °С.

При цьому германій та індій сплавляються і після охолодження утворюється р-п-перехід. Тонкий шар германію збагачується індієм, внаслідок чого утворюється провідність p-n-типу. Цей шар у місці контакту з германієм n-типу утворює електронно-дірковий перехід (р-n-перехід).

Розглянемо напівпровідник, що складається з двох частин, одна з яких має провідність p-типу, а друга — n-типу.

У p- частині основними носіями заряду є дірки, ав n- частині — вільні електрони. Обидві частини до утворення контакту між ними були електричко нейтральними. При утворенні контакту внаслідок дифузії деяка кількість вільних електронів з n-частини перейде в p-частину, де є дірки, і частину з них нейтралізує поблизу контакту. Дірки, в свою чергу, дифундуватимуть з p-частини в n-частину, дере комбінуватимуть з вільними електронами.

Таким чином, концентрація вільних електронів і дірок у місці контакту дуже зменшується, тому опір цієї частини напівпровідника великий.

Крім того, n-частина поблизу контакту з р-частиною зарядиться позитивно, бо, по-перше, вона втратила частину своїх вільних електронів, а по-друге, до неї перейшла частина дірок з p-частини. У свою чергу, p-частина зарядиться негативно. Електричне поле, яке при цьому виникає, перешкоджає подальшій дифузії електронів і дірок.

Таким чином, на межі напівпровідників з різними типами провідності виникає р-п-перехід. Цей перехід має великий опір, бо дуже збіднений на вільні носії заряду. До того ж у межі контакту виникає електричне поле, яке перешкоджає подальшій дифузії вільних основних носіїв заряду.

5. Застосування напівпровідників

Типи напівпровідникових приладів

Напівпровідники широко використовуються в різних галузях науки і техніки. Наведемо деякі приклади їх застосування.

Напівпровідникові діоди мають контакт двох напівпровідників з p − n -переходом, що зумовлює однобічну провідність і застосовується в електродах радіоустановках для випрямлення змінного струму (рис. 1).

Напівпровідникові діоди виготовляють з германію, кремнію, селенута інших речовин. За конструкцією вони поділяються на точкові і площинні. Умовне зображення напівпровідникового діода показано на (рис. 2).

Рис. 2.

Напівпровідникові тріоди (транзистори) застосовуються для генерації і підсилення радіосигналів. Вони складаються з трьох електродів: бази (Б), емітера (Е), колектора (К) (рис. 3). Розрізняють тріоди на основі

p -напівпровідника (типу n − p − n), або на основі n -напівпровідника (типу p − n − p).

Рис. 3.

Термоопори (термістори). Електричний опір напівпровідників значною мірою залежить від температури. На цьому явищі грунтується дія термоопорів, або термісторів, які застосовують для вимірювання температур, автоматичного регулювання струму, вимірювання швидкості рухомих об’єктів, у газоаналізаторах тощо.

Фоторезистори. Власна провідність напівпровідників залежить від освітлення. Виготовлені з таких напівпровідників елементи називаються фоторезисторами або фотоопорами, їх застосовують для автоматичних пристроїв, світлових вимірювань тощо.

Напівпровідникові фотоелементи. Так називаються прилади, в яких світло, діючи на p − n -перехід запірного шару, зумовлює виникнення електрорушійної сили порядку кількох десятих вольта. Напівпровідникові фотоелементи не потребують джерела напруги, вони самі безпосередньо перетворюють світлову енергію в електричну.

Напівпровідники займають проміжний стан між провідниками і діелектриками. Їх питома провідність γ коливається від 10^-9 до 10⁵ См/м або питомий опір ρ = 10^-5÷10⁹ Ом·м. При низьких температурах електропровідність напівпровідників низька. На неї впливають світло, сильне електричне поле, механічні деформації. Питома провідність провідників при температурі, що близька 0 Кельвін збільшується. Зовсім інакше ведуть себе напівпровідники. При зменшенні температури їх питома провідність зменшується, а при Т→0 К напівпровідники зовсім не проводять електричний струм, тобто стають діелектриками. Зате при збільшенні температури провідність γ напівпровідників різко збільшується. Різний характер залежності провідності провідників і напівпровідників від температури, очевидно, можливий лише тому, що в провідниках поява вільних носіїв заряду викликається не зміною температури. Це викликано внутрішньою будовою провідника. А напівпровідникам для появи в них вільних носіїв заряду необхідно надати теплову енергію. Відповідно такі носії заряду називають тепловими. Яким би іншим чином не була підведена додаткова енергія (наприклад: шляхом освітлення, опромінення, дії механічного навантаження, електричне поле і т. д.) в напівпровідниках з’являться додаткові носії заряду, що називаються не рівноважними і електропровідність напів-провідника збільшується. Великий вплив на провідність надає внутрішня структура напівпровідників. Крім цього, введення в напівпровідник навіть невеликої кількості атомів постороннього елементу звичайно різко змінює його електропровідність. Все це відкриває широкі можливості для керування електрофізичними Властивостями напівпровідників.

Рис.5.1. Графіки залежності питомої провідності напівпровідників (1)

і металів (2) від температури

Отже, напівпровідник – це речовина, основною властивістю якої є сильна залежність його електропровідності від дії зовнішніх факторів. Напівпровідниковими властивостями володіє велика кількість найрізноманітніших речовин. Всі напівпровідники можна розділити на прості та складні.

Простим називають такий напівпровідник, основний склад якого утворений атомами одного хімічного елементу. До простих відносять кремній, германій, селен, телур, бор, вуглець, фосфор, сірка, миш’як, сурма, йод, олово.

Структура складних напівпровідників утворена атомами різних хімічних елементів. До цієї групи відносять тверді розчини (наприклад, кремнію і германію) і хімічні з’єднання, що позначаються А_x^mB_y^m. В цій формулі індекси m і n означають номер групи періодичної системи, в яку входить відповідний елемент, а нижні x i y – число атомів цього елементу в з’єднанні. Серед бінарних з'єднань практичне застосування одержали з'єднання А^IIIB^V, А^IIB^VI, A^IVB^IV.

Напівпровідникові з'єднання А^IIIB^V утворюються в результаті взаємодії елементів III-ї підгрупи періодичної таблиці (бору, алюмінію, галію, індію) з елементами V-ї підгрупи (азотом, фосфором, миш'яком, сурмою). З'єднання А^IIIB^V прийнято класифікувати за металоїдним елементом. Відповідно розрізняють нітриди, фосфіди, арсеніди й антимоніди. Одержують ці з'єднання або з розплаву, що містить елементи в рівних атомних концентраціях або з розчину з'єднання, що має в надлишку елементи III групи, а також з газової фази.

Кристали антимонідів, арсенідів галію індію, як правило, ви-рощують з розплаву витягуванням на запал з-під інертного газу. Шар рідкого флюсу, що перебуває під тиском інертного газу, забезпечує повну герметизацію тигля й придушує випар летучих компонентів з розплаву. Однак монокристали, отримані з розплаву, мають недостат-ню високу хімічну чистоту й потребують додаткового очищення.

Особливе положення серед з'єднань А^IIIB^V займає арсенід галію. Більша ширина забороненої зони, висока рухливість електронів дають змогу створювати на його основі прилади, які працюють на високих частотах і при високих температурах. Він використовується для виготовлення світлодіодів, тунельних діодів, діодів Ганна, сонячних батарей і т.д.

Антимонід індію має дуже малу ширину забороненої зони й дуже високу рухливість електронів. Застосовується для виготовлення детекторів в інфрачервоній області спектра, датчиків Холла, термоелектричних генераторів, тензометрів і т.д.

Фосфід галію, що має велику ширину забороненої зони, широко застосовується для виготовлення світлодіодів.

Антимонід галію відрізняється від інших з'єднань групи A^IIIB^V високою чутливістю до механічних напружень. Так, при впливі на зразок тиску його питомий опір збільшується у два рази. Завдяки високій чутливості до механічних деформацій антимонід галію використовується для виготовлення тензометрів.

До напівпровідникових з'єднань A^IIB^VI відносять халькогеніди цинку, кадмію, ртуті. Широкозонні напівпровідники A^IIB^VI мають високу температуру плавлення й високий тиск дисоціації в точці плавлення. Застосовують їх для виготовлення люмінофорів, фоторезисторів, давачів Холла, приймачів інфрачервоного випромінювання.

Напівпровідники використовують для підсилення і генерації електричних сигналів (транзистори, діоди, інтегральні мікросхеми), в якості первинних перетворювачів температури і джерел теплової енергії (терморезистори і нагріваючі елементи), сигналів (фоторезист-тори, світлодіоди, лазери), для перетворення механічних коливань (тензорезистори, п’єзодавачі) і т.д.

Виготовлені з напівпровідникових матеріалів пристрої володіють перевагами, до яких відносяться: 1) великий строк служби; 2) малі габарити й маса; 3) простота і надійність конструкції; 4) споживана мала потужність; 5) економічність при масовому виробництві.

Поиск по сайту: