Понятие полупроводниковых материалов.

Полупроводники – материалы с электронной проводимостью, удельное сопротивление которых лежит в пределах между удельными сопротивлениями металлов и диэлектриков. Главным определяющим фактором при отнесении материала к разряду полупроводников является сильная положительная зависимость от внешних энергонесущих факторов (температура, освещённость, давление, радиация), сильная зависимость удельного сопротивления от степени легирования.

С точки зрения зонной теории твёрдого тела, полупроводника имеют неширокую зону запрещённой энергии между валентной зоной и зоной проводимости. Эта запрещённая зона оказывает значительное влияние на свойства полупроводников. Условно можно сказать: запрещённая зона составляет 0,3 – 3 эВ при комнатной температуре (ширина запрещённой зоны слегка изменяется в зависимости от температуры).

 

 

Классификация полупроводниковых материалов

Полупроводники:

1. Неорганические:

а) кристалические:

1) немагнитные

2) магнитные: Элементарные(Si, Ge, прочие), химическ соедин(А3B5, A2B6), твердые растворы

б) аморфные

2. Органические

Наибольшее значение имеют неорганические кристалические полупроводники. Их электрофизические свойства определяются прежде всего химическим составом , поэтому они классифицируются по принадлежности входящих в них элементов к той или иной группе периодической системы.щ

Большую роль в технике играют и аморфные полупроводники, как простые, так и сложные. Это прежде всего аморфный кремний, а также халькогенидные и оксидные стекла различного сотава.

 

 

Теория электропроводности собственных полупроводников.

Собственными полупроводниками называют вещества, в которых при данной температуре можно пренебречь влиянием примеси.

Полупроводник при температуре близкой к 0 К ведёт себя как абсолютный диэлектрик, так как все электроны находятся в валентной зоне, намертво привязанные к атому кристаллической решётки, и, следовательно, не способны к перемещению. Однако при повышении температуры существует статистическая вероятность того, что за счёт тепловых колебаний решётки появятся электроны, приобретшие энергию, достаточную для отрыва от атома, то есть для перехода через запрещённую зону, при этом возникает пара свободных носителей заряда, способных к перемещению.

Дырка не элементарная частица, а некая физико-математическая модель, применяемая для описания отсутствия электрона возле атома. Так же как и электроны, дырки под действием электрического поля могут перемещаться по объёму материала

ронных оболочек соседних атомов, электрон может от одного атома перейти к другому на вакантное место без приобретения дополнительной энергии, то есть связанный электрон без перехода в зону проводимости переходит от одного атома к другому.

В данном случае перемещение дырки представляет собой движение электронов, только связанных.

Движение свободного электрона подчиняется законам, описываемым с помощью понятия длина свободного пробега l . В тоже время, перемещение связанного электрона (дырки) за каждый элементарный шаг осуществляется на межатомное расстояние b. Поскольку l > b

Параллельно с процессом генерации в материале идёт процесс рекомбинации.

Рекомбинация – процесс потери электроном энергии и перехода его в связанное состояние.

Генерация и рекомбинация происходят параллельно, так как речь идёт о большом количестве носителей заряда (статистические понятия).

В результате протекания этих двух конкурирующих процессов, один из которых приводит к увеличению числа носителей заряда, а другой к уменьшению, в материале возникает равновесная концентрация носителей заряда, характеризующаяся равенством скоростей генерации и рекомбинации.

Равновесная концентрация – концентрация, которая соответствует условиям, в которых находится материал.

 

 

Примесные полупроводники. Температурная зависимость

Примесными называют полупроводники, электрофизические параметры которых определяются наличием примеси.

Примеси бывают либо примесями внедрения (атомы внедряются в междоузлия и поры кристаллической решётки), либо замещения (атомы занимают места в узлах решётки, образуя связи с атомами основного материала).

И те и другие примеси влияют на величину электропроводности полупроводников. Однако тип проводимости изменяют только примеси замещения. Для полупроводников из примесей замещения выделяются донорные и акцепторные примеси.

Донорные примеси – примеси с валентностью большей, чем у собственного полупроводника, следовательно, они имеют большее число электронов в валентной зоне и при образовании связей с атомами полупроводника один из этих электронов (валентный) окажется незадействованным, следовательно, его легко можно оторвать от полупроводника.

С точки зрения зонной теории, донорная примесь, как и любой дефект кристаллической решетки, создаёт в запрещенной зоне разрешенный для пребывания электронов уровень. При этом примесный уровень располагается вблизи дна зоны проводимости.

Акцепторные примеси имеют валентность меньшую, чем собственный полупроводник.

Встраиваясь в кристаллическую решётку и образуя связи, эти примеси захватывают недостающий для образования связи электрон у полупроводника. Таким образом, сами атомы примеси заряжаются отрицательно, то есть превращаются в отрицательно заряженные ионы.

Температурная зависимость концентрации носителей заряда в примесных полупроводниках

На участке 1 – 2 концентрация носителей заряда растёт за счёт примеси – участок работы примеси.

2 – 3 область истощения примеси, когда она отдала все свои электроны.

3 – 4 участок собственной проводимости полупроводника, концентрация носителей заряда растёт за счёт атомов полупроводника.

В сильно легированных полупроводниках область истощения примеси не присутствует на графике. По достижении определённой температуры прирост концентрации будет происходить интенсивнее за счёт самого полупроводника.

На участке работы примеси угол наклона прямой определяется энергией, необходимой для перехода с примесного уровня в зону проводимости.

На участке 3 – 4 угол наклона будет определяться шириной запрещённой зоны.

1. даже сильно легированные полупроводники при определённой температуре начинают вести себя как собственные;

2. все полупроводники, используемые в электронных приборах, за исключением вырожденных, работают на участке эксплуатационных температур Тэкспл .

 

 

Кремний.

Второй по распространённости элемент земной коры (29,5%).

В 1911 году впервые получен в элементарном виде. Богатейшее природное месторождение находится в Малайзии.

Получают восстановлением из оксида SiO₂ по схеме:

SiO₂+С Si+CО₂.

Для очистки полученный порошок кремния превращают в легколетучее и легковосстановимое вещество – трихлорсиллан SiHCl₃ – жидкость, внешне похожая на воду, температура кипения 32˚С. Её испаряют, затем конденсируют, тем самым, производя физическую очистку от примесей. В дальнейшем производят выделение чистого кремния путем восстановления водородом:

_{SiHCl3+Н2 Si+3HCl.}

Свойства чистого кремния

Кремний обладает алмазоподобной кубической решёткой, высокой твёрдостью и хрупкостью, более широкой запрещённой зоной, чем у германия

В химическом отношении кристаллический кремний при комнатной температуре относительно инертное вещество. Хорошо растворяется лишь в смеси кислот – азотной и плавиковой HF. На воздухе устойчив при температуре до 900˚С, при повышении интенсивно окисляется с образованием SiO₂. С рядом металлов при сплавлении образует силициды. С углеродом образует очень прочное соединение – карбид кремния SiC – перспективный полупроводник.

В нормальных условиях чистый кремний прозрачен для электромагнитного излучения с длиной волны λ > 1,1мкм (тепловой диапазон).

Для наблюдения собственных электропроводящих свойств необходима чистота 10¹⁶/м³.

Кремний является базовым материалов для изготовления планарных транзисторов и интегральных микросхем. Освоение планарной технологии кремниевых приборов вызвало качественный скачок в полупроводниковом производстве Кремниевые приборы нашли широкое применение в приёмно-усилительной аппаратуре и вычислительной технике.

Из кремния изготавливают выпрямители, импульсные и СВЧ-диоды, низко- и высокочастотные, мощные, маломощные транзисторы, приборы с зарядовой связью, стабилитроны и стабисторы, фоточувствительные приборы.

Рабочие частоты – десятки ГГц;

Выпрямительные диоды рассчитаны на напряжения 1,5 тысячи В, токи 1,5 тысячи А;

Напряжение стабилизации для стабилитронов 3…400 В; Температурный диапазон до 200 С

 

 

---

Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 318; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!