материаловедение, реферат. Способы получения и обработки металлов. Классификация полупроводников. Физические процессы в полупроводниках

• Название: Классификация полупроводников. Физические процессы в полупроводниках
• Анкор: материаловедение, реферат
• Дата: 10.12.2022
• Размер: 1.41 Mb.
• Имя файла: Способы получения и обработки металлов.docx
• Тип: Реферат; #837975

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Казанский (Приволжский) Федеральный университет

Институт физики

Кафедра физики твердого тела

Направление: «Нанотехнологии и микросистемная техника»

Реферат на тему:

«Классификация полупроводников. Физические процессы в полупроводниках»

Работу выполнила:

Студентка 2 курса

Группа 06-945

Камашева Эльвина Фердинандовна

Работу проверил:

Заведующая кафедрой физики твердого тела

Воронина Елена Валентиновна

Казань

2020г

Оглавление

Введение 3

Классификация полупроводниковых материалов 6

Примесные полупроводники 17

p—n переход в состоянии равновесия 19

Контактная разность потенциалов 22

p-n переход при прямом напряжении 24

p-n переход при обратном напряжении 25

Заключение 28

Список использованной литературы 29

Введение

Полупроводниковые материалы- ве­ще­ст­ва с чёт­ко вы­ра­жен­ны­ми свой­ст­ва­ми по­лу­про­вод­ни­ков в ши­ро­ком ин­тер­ва­ле тем­пе­ра­тур, вклю­чая ком­нат­ную (≈300 К), яв­ляю­щие­ся ос­но­вой для соз­да­ния по­лу­про­вод­ни­ко­вых при­бо­ров. Удель­ная элек­трическая про­во­ди­мость полупроводниковых материалов при 300 К со­став­ля­ет 104– 10–10 Ом–1·см–1 и уве­ли­чи­ва­ет­ся с рос­том температуры. Для полупроводниковых материалов ха­рак­тер­на вы­со­кая чув­ст­ви­тель­ность элек­тро­фи­зических свойств к внеш­ним воз­дей­ст­ви­ям (на­грев, об­лу­че­ние, де­фор­ма­ции и т. п.), а так­же к со­дер­жа­нию при­ме­сей и струк­тур­ных де­фек­тов.

Полупроводники – это вещества, основным свойством которых является сильная зависимость их электропроводности от воздействия внешних факторов. К внешним факторам в данном случае следует отнести действие теплового, электрического поля, радиационных полей и т.д.

Полупроводники представляют собой весьма многочисленный класс материалов. В него входят сотни самых разнообразных веществ – как элементов, так и химических соединений. Полупроводниковыми свойствами могут обладать как неорганические, так и органические вещества, кристаллические и аморфные, твердые и жидкие, немагнитные и магнитные. Несмотря на существенные различия в строении и химическом составе, материалы этого класса роднит одно замечательное качество- способность сильно изменять свои электрические свойства под влиянием небольших внешних энергетических воздействий.

Далее подробнее рассмотрим их.

Но для начала скажем о прямозонных и непрямозонных полупроводниках. Шириной запрещенной зоны считают всегда минимальное расстояние между самой глубокой долиной зоны проводимости и самым высоким холмом валентной зоны. Но довольно часто случается, что вершина такого холма и дно долины лежат в разных координатах. Такие полупроводники называют непрямозонными. Ну а если дно долины лежит против вершины холма – прямозонными.

Другими словами, потолок валентной зоны для полупроводников, соответствующий экстремуму зависимости E(k), находится в центре зоны Бриллюэна при k=0. Дно зоны проводимости в различных полупроводниках может находиться как в центре зоны Бриллюэна при k=0, так и в других точках зоны Бриллюэна при k¹0. Первый тип полупроводников получил название прямозонных (потолок валентной зоны и дно зоны проводимости находятся при k=0), а второй тип полупроводников – непрямозонных (потолок валентной зоны находится при k=0, а дно зоны проводимости при k¹0).

Прямозонные полупроводники, такие как арсенид галлия, начинают сильно поглощать свет, когда энергия кванта превышает ширину запрещённой зоны. Такие полупроводники очень удобны для использования в оптоэлектронике. Эти полупроводниковые материалы имеют прямую запрещенную зону, как показано на рис. 4.б. В данном случае электроны валентной и зон проводимости имеют близкие импульсы, потому высока вероятность прямых излучательных переходов и, следовательно, высока внутренняя квантовая эффективность.

Непрямозонные полупроводники, например, кремний, поглощают в области частот света с энергией кванта чуть больше ширины запрещённой зоны значительно слабее, только благодаря непрямым переходам, интенсивность которых зависит от присутствия фононов, и следовательно, от температуры. Граничная частота прямых переходов кремния больше 3 эВ, то есть лежит в ультрафиолетовой области спектра.

Известно, что Si, Ge – непрямозонные полупроводники. Это означает, что электрон, находящийся вблизи дна зоны проводимости, имеет импульс, отличающийся от импульса электрона, находящегося вблизи потолка валентной зоны. Это определение иллюстрирует рис. 4.а, из которого видно, что в данном случае зона-зонный переход возможен только при условии компенсации импульсов электронов.

 

Рис. 1 Схемы рекомбинации

а) в непрямозонном п/п, б) в прямозонном п/п

Она может происходить, если при рекомбинации излучается фотон высокой энергии, при этом происходит компенсация импульсов и генерируется фонон. Ещё более трудно выполнимым оказывается условие одновременности этих двух процессов, что приводит к снижению вероятности именно такого рекомбинационного перехода. Таким образом, в непрямозонных полупроводниках преобладают безызлучательные переходы, поэтому внутренняя квантовая эффективность мала.

Прямой переход – это переход электрона без изменения импульса электрона. Непрямой переход сопровождается изменением импульса электрона, которое компенсируется импульсом излучаемого или по­глощаемого фотона.

Классификация полупроводниковых материалов

Классификацию полупроводниковых материалов проводят по различным признакам. Наиболее широко применяется классификация, в основу которой положен химический состав материала. В соответствии с этим различают органические и неорганические полупроводники.

Наи­боль­шее прак­тическое при­ме­не­ние на­хо­дят не­ор­га­нические кри­стал­лические полупроводниковые материалы, ко­то­рые по хи­мическому со­ста­ву раз­де­ля­ют­ся на сле­дую­щие основные груп­пы. 



Рис.2. Классификация полупроводниковых материалов по составу и свойствам

Эле­мен­тар­ные полупроводники: Ge, Si, уг­ле­род (ал­маз и гра­фит), В, α-Sn (се­рое оло­во), Те, Se. Важ­ней­шие пред­ста­ви­те­ли этой груп­пы – Ge и Si – име­ют кри­стал­лическую ре­шёт­ку ти­па ал­ма­за. Яв­ля­ют­ся не­пря­мо­зон­ны­ми по­лу­про­вод­ни­ка­ми; об­ра­зу­ют ме­ж­ду со­бой не­пре­рыв­ный ряд твёр­дых рас­тво­ров, так­же об­ла­даю­щих полупроводниковыми свой­ст­ва­ми. По совокупности электрофизических свойств, отработанности технологических процессов, количеству и номенклатуре выпускаемых приборов кремний и германий занимают ведущее место среди полупроводниковых материалов.

Большинство алмазоподобных полупроводников с родственными свойствами образуют между собой изовалентные твердые растворы. В твердых растворах путем изменения состава можно плавно и в достаточно широких пределах управлять важнейшими свойствами полупроводников, в частности, шириной запрещенной зоны и подвижностью носителей заряда. Это открывает дополнительные возможности для оптимизации параметров полупроводниковых приборов, позволяет добиться лучшего согласования физических характеристик различных компонентов электронной аппаратуры.

Кристаллическая структура многих соединений характеризуется тетраэдрической координацией атомов, как это имеет место в решетке алмаза. Такие полупроводниковые соединения получили название алмазоподобных полупроводников. Среди них наибольший научный и практический интерес представляют бинарные соединения типа AIIIBV и AIIBVI, которые в настоящее время являются важнейшими материалами полупроводниковой оптоэлектроники.

Соединения типа A^IVB^IV.

Одним из важнейших для техники соединений типа A^IVB^IV является карбид кремния. Взаимодействие кремния с углеродом приводит к усилению ковалентной связи, следовательно, температура плавления карбида кремния будет выше, чем у чистого кремния. Кроме того, у карбида кремния повышается величина запрещенной зоны. Поэтому из карбида кремния можно изготавливать приборы, работающие при более высокой температуре, чем кремниевые приборы. Об­ла­да­ет ПП свой­ст­ва­ми во всех струк­тур­ных мо­ди­фи­каци­ях: β-SiC (струк­ту­ра сфа­ле­ри­та); α -SiC (гек­са­го­наль­ная струк­ту­ра), имею­щая около 15 раз­но­вид­но­стей. Один из наи­бо­лее ту­го­плав­ких и ши­ро­ко­зон­ных сре­ди ши­ро­ко ис­поль­зуе­мых по­лу­про­вод­ни­ко­вых ма­те­риа­лов.

Полупроводниковые соединения типа А^IIIВ^V.

 Соединения типа А^IIIВ^V являются ближайшими электронными аналогами германия и кремния. Они образуются в результате соединения элементов III группы Периодической системы (бора, алюминия, галлия и индия) с элементами V группы (азотом, фосфором, мышьяком и сурьмой). Висмут и таллий не образуют соединений рассматриваемого ряда.

Соединения А^IIIВ^V принято классифицировать по металлоидному признаку. Соответственно различают нитриды, фосфиды, арсениды и антимониды.

Многообразие свойств полупроводников типа А^IIIВ^V обуславливает их широкое применение в приборах и устройствах различного технического назначения. Особый интерес к этой группе материалов был вызван потребностями оптоэлектроники в быстродействующих источниках и приемниках излучения. Инжекционные лазеры и светодиоды на основе ПП А^IIIВ^V характеризуются высокой эффективностью преобразования электрической энергии в электромагнитное излучение.

Для соединений такого типа характерен тип химической связи называемой донорно-акцепторной. Этот тип связи представляет собой переход от ковалентной связи к ионной. Физические свойства таких материалов определяются энергией связи, которая уменьшается по мере роста порядкового номера элементов, входящих в состав материала. Подвижность носителей заряда в полупроводниках такого типа ограничивается в основном рассеянием электронов на оптических тепловых колебаниях решетки, под которыми понимают противофазное смещение соседних атомов. Поскольку атомы А^III и В^IV обладают некоторым ионным зарядом, то их противофазное смещение приводит к появлению дипольного момента, являющегося эффективным центром рассеяния носителей заряда. Чем больше разность электроотрицательностей элементов, образующих соединение, тем сильнее выражена ионная составляющая химической связи. Соответственно возрастает рассеяние электронов и дырок на оптических колебаниях и уменьшается подвижность носителей заряда.

Многообразие свойств полупроводников типа A^ШB^V привело к их широкому применению в различных технических устройствах. На их основе изготавливают инжекционные лазеры и светодиоды. У арсенида галлия ширина запрещенной зоны близка к ширине запрещенной зоны кремния, а подвижность носителей заряда близка к подвижности носителей заряда германия. Поэтому данный материал является весьма перспективным для изготовления интегральных микросхем с высоким быстродействием.

Име­ют в основную кри­стал­лическую струк­ту­ру ти­па сфа­ле­ри­та. Связь ато­мов в кри­стал­лической ре­шёт­ке но­сит пре­имущественно ко­ва­лент­ный ха­рак­тер с не­ко­то­рой до­лей (до 15%) ион­ной со­став­ляю­щей. Пла­вят­ся кон­гру­энт­но (без из­ме­не­ния со­ста­ва). Об­ла­да­ют дос­та­точ­но уз­кой об­ла­стью го­мо­ген­но­сти, т. е. ин­тер­ва­лом со­ста­вов, в ко­то­ром в за­ви­си­мо­сти от па­ра­мет­ров со­стоя­ния (температуры, дав­ле­ния и др.) пре­иму­щественный тип де­фек­тов мо­жет ме­нять­ся, а это при­во­дит к из­ме­не­нию ти­па про­во­ди­мо­сти (n, р) и за­ви­си­мо­сти удель­ной элек­трической про­во­ди­мо­сти от со­ста­ва. Основные пред­ста­ви­те­ли этой груп­пы – GaAs, InP, InAs, InSb, яв­ляю­щие­ся пря­мо­зон­ны­ми по­лу­про­вод­ни­ка­ми, и GaP – не­пря­мо­зон­ный по­лу­про­вод­ник. Мно­гие полупроводники ти­па АIIIВV об­ра­зу­ют ме­ж­ду со­бой не­пре­рыв­ный ряд твёр­дых рас­тво­ров – трой­ных и бо­лее слож­ных (GaxAl1-xAs, GaAsxP1-x, GaxIn1-xP, GaxIn1-xAsyP1-y и т. п.), так­же яв­ляю­щих­ся важ­ны­ми полупроводниковыми ма­те­риа­ла­ми.

  Полупроводниковые соединения типа А^IIВ^VI

К соединениям этого типа относят халькогениды цинка, кадмия и ртути. Среди них можно выделить сульфиды, селениды и теллуриды. Но окислы этих металлов сюда не входят.

С ростом атомной массы во всех этих рядах уменьшается ширина запрещенной зоны и температура плавления соединений. Одновременно возрастает подвижность носителей заряда.

Из всех соединений типа А^IIВ^VI по масштабам применения выделяют сульфид цинка ZnS и сульфид кадмия CdS. Первый является основой для многих промышленных люминофоров, второй широко используется для изготовления фоторезисторов.

Помимо сульфида кадмия для изготовления фоторезисторов, чувствительных к видимому излучению, испльзуют пленки и спеченные порошкообразные соли селенида кадмия CdSe.

Химическая связь носит смешанный ковалентно-ионный характер. Компонента ионной связи в таких соединениях выражена сильнее по сравнению с соединениями типа А^IIIВ^V. С ростом средней атомной массы атомной массы соединений уменьшается ширина запрещенной зоны и снижается температура плавления, одновременно повышается подвижность носителей заряда. Соединения типа А^IIВ^VI применяются для изготовления фоторезисторов, обладающих высокой чувствительностью в видимой области спектра, а также для изготовления люминофоров.

Со­еди­не­ния эле­мен­тов VI груп­пы (О, S, Se, Те) с эле­мен­та­ми I–V групп пе­рио­дической сис­те­мы, а так­же с пе­ре­ход­ны­ми ме­тал­ла­ми и РЗЭ. Наи­боль­ший ин­те­рес пред­став­ля­ют со­еди­не­ния ти­па AIIBVI с кри­стал­лической струк­ту­рой ти­па сфа­ле­ри­та или вюр­ци­та, ре­же ти­па NaCl. Связь ме­ж­ду ато­ма­ми в ре­шёт­ке но­сит ко­ва­лент­но-ион­ный ха­рак­тер (до­ля ион­ной со­став­ляю­щей дос­ти­га­ет 45–60%). Име­ют боль­шую, чем полупроводниковый материал ти­па AIIIBV, про­тя­жён­ность об­лас­ти го­мо­ген­но­сти. Для со­еди­не­ний ти­па AIIBVI ха­рак­терны по­ли­мор­физм и на­ли­чие по­ли­ти­пов ку­бической и гек­са­го­наль­ной мо­ди­фи­ка­ций. Яв­ля­ют­ся в основном пря­мо­зон­ны­ми по­лу­про­вод­ни­ка­ми. Важ­ней­шие пред­ста­ви­те­ли этой груп­пы полупроводниковых материалов – CdTe, CdS, ZnTe, ZnSe, ZnO и ZnS. Многие со­еди­не­ния ти­па AIIBVI об­ра­зу­ют ме­ж­ду со­бой не­пре­рыв­ный ряд твёр­дых рас­тво­ров (напр., CdxHg1-xTe, CdxHg1-xSe, CdTexSe1-x). Фи­зические свой­ст­ва со­еди­не­ний ти­па AIIBVI в зна­чит. ме­ре оп­ре­де­ля­ют­ся со­дер­жа­ни­ем собств. то­чеч­ных де­фек­тов струк­ту­ры, имею­щих низ­кую энер­гию ио­ни­за­ции и про­яв­ляю­щих вы­со­кую элек­трическую ак­тив­ность.

Важ­ное прак­тическое зна­че­ние име­ют и со­еди­не­ния ти­па AIVBVI 

В этой группе соединений используются сульфиды, селениды, теллуриды свинца. Их получают сплавлением соответствующего элемента (S, Se, Te) со свинцом, монокристаллы выращивают направленной кристаллизацией из расплава. Кроме того, монокристаллы PbS встречаются в природе.

Это пре­имущественно пря­мо­зон­ные по­лу­про­вод­ни­ки PbS, PbSe, PbTe, SnTe; сре­ди твёр­дых рас­тво­ров наи­бо­лее из­вест­ны PbxSn1–xTe, PbxSn1–xSe.

Пред­став­ля­ют ин­те­рес со­еди­не­ния ти­па А2IIIB3VI, мно­гие из ко­то­рых име­ют кри­стал­лическую струк­ту­ру ти­па сфа­ле­ри­та с 1/3 не­за­пол­нен­ных ка­ти­он­ных уз­лов (ти­пич­ные пред­ста­ви­те­ли: Ga2Se3, Ga2Te3, In2Te3). Сре­ди соеди­не­ний эле­мен­тов VI груп­пы с пе­ре­ход­ны­ми ме­тал­ла­ми и РЗЭ мно­го ту­го­плав­ких П. м., имею­щих ион­ный ха­рак­тер свя­зи и об­ла­даю­щих фер­ро­маг­нит­ны­ми или ан­ти­фер­ро­маг­нит­ны­ми свой­ст­ва­ми.

Трой­ные со­еди­не­ния ти­па AIIBIVC2V. Кри­стал­ли­зу­ют­ся в осн. в ре­шёт­ке халь­ко­пи­ри­та. Об­на­ру­жи­ва­ют маг­нит­ное и элек­трич. упо­ря­до­че­ние. Об­ра­зу­ют ме­ж­ду со­бой твёр­дые рас­тво­ры. Во мно­гом яв­ля­ют­ся элек­трон­ны­ми ана­ло­га­ми со­еди­не­ний ти­па АIIIВV. К этой груп­пе от­но­сят­ся CdSnAs2, CdGeAs2, ZnSnAs2 и др.

Магнитные полупроводники- по­лу­про­вод­ни­ки, для ко­то­рых ха­рак­тер­на силь­ная взаи­мо­связь маг­нит­ных, элек­трических и оп­тических свойств и в ко­то­рых маг­нит­ное взаи­мо­дей­ст­вие осу­ще­ст­в­ля­ет­ся с уча­сти­ем элек­тро­нов про­во­ди­мо­сти. В основном это три клас­са со­еди­не­ний: мо­ноок­сид и мо­но­халь­ко­ге­ни­ды ев­ро­пия (EuO, EuS, EuSe и EuTe); хром­халь­ко­ге­нидные шпи­не­ли (СdCr2Se4, СdCr2S4, HgCr2Se4, HgCr2S4, ZnCr2Se4 и ZnCr2S4); ман­га­ни­ты – ок­сид­ные со­еди­не­ния мар­ган­ца со струк­ту­рой пе­ров­ски­та (AMnO3, где A = La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Yb, Tb, Dy, Ho, Er, Ce).

Не­кри­стал­ли­че­ские полупроводниковые материалы

Аморфный полупроводник — вещество в аморфном состоянии, которое имеет ряд свойств, характерных для кристаллических полупроводников. К таким свойствам, в частности, относятся сильная температурная зависимость электрической проводимости, существование порога оптического поглощения.

Аморфные и стеклообразные полупроводники характеризуются наличием ближнего и дальнего порядка. Дальний порядок- строгая периодичность повторяемости в пространстве одного и того же элемента структуры (атома, группы атомов, молекулы и т.п.). В то же время у вещества в аморфном состоянии существует согласованность в расположении соседних частиц- т.н., ближний порядок, соблюдаемый в пределах 1-й координационной сферы и постепенно теряющийся при переходе ко 2-й и 3-й сферам, т.е. соблюдающийся на расстояниях, сравнимых с размерами частиц. Таким образом, с расстоянием согласованность уменьшается и через 0,5-1 нм исчезает.

Ти­пич­ны­ми пред­ста­ви­те­ля­ми этой груп­пы яв­ля­ют­ся стек­ло­об­раз­ные полупроводниковые материалы – халь­ко­ге­нид­ные и ок­сид­ные. К пер­вым от­но­сят­ся спла­вы Tl, P, As, Sb, Bi с S, Se, Те (напр., As2Se3–As2Te3, Tl2Se–As2Se3), ха­рак­те­ри­зую­щие­ся ши­ро­ким диа­па­зо­ном зна­че­ний удель­ной элек­трической про­во­ди­мо­сти, низ­ки­ми температура­ми раз­мяг­че­ния, ус­той­чи­во­стью к ки­сло­там и ще­ло­чам. Ок­сид­ные стек­ло­об­раз­ные полупроводниковые материалы име­ют со­став ти­па V2O5–P2O5–ROx (R – ме­талл I–IV групп); удель­ная элек­трическая про­во­ди­мость 10–4–10–5 Ом–1·см–1. Все стек­ло­об­раз­ные полупроводниковые материалы об­ла­да­ют элек­трон­ной про­во­ди­мо­стью, об­на­ру­жи­ва­ют фо­то­про­во­ди­мость и тер­мо­эдс. При мед­лен­ном ох­ла­ж­де­нии обыч­но пре­вра­ща­ют­ся в кри­стал­лические полупроводниковые материалы. Другой важ­ный класс не­кри­стал­лических полупроводниковых материалов – твёр­дые рас­тво­ры ря­да аморф­ных по­лу­про­вод­ни­ков с во­до­ро­дом, т. н. гид­ри­ро­ван­ные не­кри­стал­лические полупроводниковые материалы: α-Si:H, α-Si1-xCx:H, α -Si1-xGex:H, α -Si1-xNx:H, α -Si1-xSnx:H. Во­до­род в этих ма­те­риа­лах об­ла­да­ет вы­со­кой рас­тво­ри­мо­стью и за­мы­ка­ет на се­бе зна­чительное ко­ли­че­ст­во «бол­таю­щих­ся» свя­зей, ха­рак­тер­ных для аморф­ных по­лу­про­вод­ни­ков. В ре­зуль­та­те рез­ко сни­жа­ет­ся плот­ность энер­ге­тических со­стоя­ний в за­пре­щён­ной зо­не и воз­ни­ка­ет воз­мож­ность соз­да­ния р–n-пе­ре­хо­дов. полупроводниковые материалы яв­ля­ют­ся так­же фер­ри­ты, сег­не­то­элек­три­ки и пье­зо­элек­три­ки.

Физические процессы в полупроводниках.

Собственный полупроводник – полупроводник, не содержащий примесей или с концентрацией примеси настолько малой, что она не оказывает существенного влияния на удельную проводимость полупроводника. Влияние температуры на полупроводники изменяет их проводимость. При низкой температуре полупроводники обдают свойствами диэлектриков, и наоборот при повышении температуры их проводимость возрастает и их свойства сопоставим с проводниками.

Электроны внешней оболочки атома называются валент­ными. Взаимное притяжение атомов осуществляется за счет об­щей пары валентных электронов (ковалентной связи), вращаю­щихся по одной орбите вокруг этих атомов. Валентные электроны как наиболее удаленные от ядра имеют с ним наиболее слабую связь и поэтому под воздействием электри­ческого поля, теплоты, света и других причин могут отделяться от атома или молекулы и становиться свободными.

Процесс отрыва и удаления одного или нескольких элек­тронов от атома или молекулы называется ионизацией.

Электроны в атоме обладают только вполне определенными значениями энергии, составляющими совокупность дискретных уровней энергии атома. В твердом теле при образовании кристал­лической решетки благодаря взаимодействию атомов энергетиче­ские уровни расщепляются и образуют энергетические зоны, со­стоящие из отдельных, близко расположенных по энергии уровней, число которых соответствует числу однородных атомов в данном теле. Совокупность уровней, на каждом из которых могут находиться электроны, называют валентной (разрешенной) зо­ной.

В энергетическом спектре твердого тела можно выделить три зоны: валентную (разрешенную) — 3, запрещенную — 2 и проводимости — 1.



Рис. 3. Зонная структура.

Валентная зона характеризуется тем, что все энергетиче­ские уровни валентных электронов при температуре 0К заполне­ны ими. Зона проводимости характеризуется наличием электронов, обладаю­щих энергией, которая позволяет им освобождаться от связи с атомами и передвигаться внутри твердого тела под действием внешнего воздействия (например, электрического поля), при температуре 0К эта зона не заполнена электронами.

Запрещенная зона характеризуется тем, что в ее пределах нет энергетических уровней, на которых могли бы находиться электроны

Если ширина запрещенной зоны ΔW_з > 6 эВ, то при обычных условиях электроны практически не попадают в зону проводимо­сти, в связи с чем, такое вещество не проводит электрический ток и называется диэлектриком. У металлов и их сплавов запрещенная зона отсутствует, т.к. у них зона про­водимости и валентная зона перекрываются. Соответственно они обла­дают хорошей проводимостью и называются проводниками.

В полупроводниках при температуре, отличной от нуля, часть электронов обладает энергией, достаточной для перехода в зону проводимости. Электроны в зоне проводимости становятся свободными, их концентрация в собственном полупроводнике обозначается n_i.

Уход электрона из валентной зоны приводит к разрыву ковалентной связи и образованию в этой зоне незаполненного (сво­бодного) энергетического уровня (положительного заряда), назы­ваемого дыркой, концентрация которых в собственном полупроводнике обозначается p_i. Валентные электроны соседних атомов под воздействием электрического поля могут переходить на свободные уровни, создавая дырки в другом месте. При этом движение электронов можно рассматривать и как движение по­ложительных зарядов — дырок.

У абсолютно чистого и однородного полупроводника (концен­трация примесей настолько мала, что не оказывает существенного влияния на удельную проводимость полупроводника), при темпе­ратуре, отличной от 0К, образуются свободные электроны и дыр­ки. Процесс образования пар электрон — дырка называется генерацией. После своего возникновения дырка под действием тепловой энергии совершает хаотическое движение в валентной зоне так же, как электрон в зоне проводимости. При этом возмо­жен процесс захвата электронов зоны проводимости дырками ва­лентной зоны. Разорванные ковалентные связи восстанавливаются, а носители заряда — электрон и дырка — исчезают. Процесс ис­чезновения нар электрон — дырка называется рекомбинацией. Он сопровождается выделением энергии, которая идет на нагрев кри­сталлической решетки и частично излучается во внешнюю среду.

Уход электрона из валентной зоны приводит к разрыву ковалентной связи и образованию в этой зоне незаполненного (сво­бодного) энергетического уровня (положительного заряда), назы­ваемого дыркой, концентрация которых в собственном полупроводнике обозначается p_i. Валентные электроны соседних атомов под воздействием электрического поля могут переходить на свободные уровни, создавая дырки в другом месте. При этом движение электронов можно рассматривать и как движение по­ложительных зарядов — дырок.

У абсолютно чистого и однородного полупроводника (концен­трация примесей настолько мала, что не оказывает существенного влияния на удельную проводимость полупроводника), при темпе­ратуре, отличной от 0К, образуются свободные электроны и дыр­ки. Процесс образования пар электрон — дырка называется генерацией. После своего возникновения дырка под действием тепловой энергии совершает хаотическое движение в валентной зоне так же, как электрон в зоне проводимости. При этом возмо­жен процесс захвата электронов зоны проводимости дырками ва­лентной зоны. Разорванные ковалентные связи восстанавливаются, а носители заряда — электрон и дырка — исчезают. Процесс ис­чезновения нар электрон — дырка называется рекомбинацией. Он сопровождается выделением энергии, которая идет на нагрев кри­сталлической решетки и частично излучается во внешнюю среду.

Примесные полупроводники

Примесный атом, создающий в запрещенной зоне энергети­ческий уровень, занятый в невозбужденном состоянии электро­нами и отдающий в возбужденном состоянии электрон в зону проводимости, называют донором.

Примесный атом, создающий в запрещенной зоне энергети­ческий уровень свободный от электронов в невозбужденном со­стоянии и способный захватить электрон из валентной зоны при возбуждении, создавая дырки в валентной зоне, называют акцептором.



Рис.4. Зонная структура примесных полупроводников.

При внесении в предварительно очищенный кремний, гер­маний примеси пятивалентного элемента — донора (фосфор Р, сурьма Sb. мышьяк As) атомы примеси замещают основные ато­мы в узлах кристаллической решетки. При этом четыре из пяти валентных электронов атома при­меси образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами полупроводника. Пятый электрон оказывается избыточным.

Энергия ионизации донорных атомов значительно меньше энергии ионизации собственных полупроводников. Поэтому при комнатной температуре избыточные электроны примеси возбуж­даются и переходят в зону проводимости. Атомы примесей, потерявшие избыточный электрон, превращаются в положительные ионы. Количество электронов N_д, переходящих под действием тепловой энергии в зону проводимости с донорного уровня W_д, значительно превышает количество электронов n_i, переходящих в зону проводимости из валентной зоны в процессе генерации пар электрон — дырка.

Концентрация дырок в донорном полупроводнике значи­тельно ниже, чем в собственном полупроводнике. В связи с этим дырки p_n являются неосновными носителями, а электроны n_n – основными. Поэтому донорный полупроводник называется элек­тронным полупроводником или полупроводником n-типа.

При добавлении в кристалл германия или кремния примеси трехвалентного элемента — акцептора (галлий Ga. индий In, бор В) атомы примеси замещают в узлах кристаллической решетки атомы полупроводника. Для образования четырех ковалентных связей не хватает одного валентного электрона атомов примеси.

Достаточно небольшой внешней энергии, чтобы электроны из верхних уровней валентной зоны переместились на уровень примеси, образовав недостающие ковалентные связи.

При этом в валентной зоне появляются избыточные уровни (дырки), которые участвуют в создании электрического тока. За счет ионизации атомов исходного материала часть электронов из валентной зоны попадают в зону проводимости.

Переход между двумя областями полупроводника с разно­типной проводимостью называется электронно-дырочным перехо­дом или p-n переходом.

Переходы между двумя полупроводниковыми материалами, имеющими различную ширину запрещенной зоны, называют ге­теропереходами. Если одна из областей, образующих переход, является металлом, то такой электрический переход называют переходом металл — полупроводник.

Концентрации основных носителей заряда в p-n переходе мо­гут быть равными или значительно различаться. Электронно-дырочный переход, у которого p_p ≈ n_p, называется симметричным.

Если концентрации основных носителей наряда в областях различны (n_n ≫ p_p или p_p ≫ n_n) и отличаются на два-три по­рядка, то p-n переходы называют несимметричными. Такие пере­ходы на практике используются чаще, чем симметричные.

В зависимости от характера распределения примесей разли­чают две разновидности переходов: резкий (ступенчатый) и плав­ный. При резком переходе концентрации примесей на границе раздела областей изменяются на расстоянии, соизмеримом с диф­фузионной длиной, а при плавном— на расстоянии, значительно большем диффузионной длины.

p—n переход в состоянии равновесия

Прежде всего, необходимо сказать, что данные рассуждения действительны при условии, что:

1) на границе раздела p- и n — областей отсутствуют механиче­ские дефекты и включения других химических веществ;

2) при комнатной температуре все атомы примеси ионизированы, т.е. p_p = N_а, n_n = N_д;

3) на границе p-n перехода тип примеси резко изменяется.

Поскольку концентрация элек­тронов в n-области намного боль­ше их концентрации в р-области, а концентрация дырок в р-области намного больше, чем в n-области (n_n≫ n_p, p_p≫ p_n), то на границе раздела полупроводников возникает градиент (перепад) концентрации подвижных носителей заряда (дырок и электронов): 



Рис. 5. p-n переход в состоянии равновесия.

Под его действием заряды будут диффундировать из области с более высокой концентрацией в область с пониженной концен­трацией. Направленное движение свободных носителей, вызван­ное их неравномерным распределением в объеме полупроводника, называют диффузионным движением. Электроны под действием диффузии перемешаются из n-области в p-область, а дырки пере­мещаются из p-области в n-область. Это движение зарядов (основ­ных носителей) образует диффузионный ток p-n перехода, содер­жащий две составляющие: электронную и дырочную.

В результате протекания диффузионного тока граничный слой обедняется подвижными носителями заряда. В приконтактной области n-типа появляется нескомпенсированный малоподвижный положительный заряд за счет ионов донорной примеси, а в р-области — отрицательный заряд за счет ионов акцепторной примеси.

Таким образом, на границе p- и n-областей возникает двой­ной слой объемного пространственного заряда, наличие которого приводит к образованию электрического поля, напряженность которого равна E_диф. Это поле препятствует дальнейшему проте­канию диффузионного тока (тока основных носителей). Посколь­ку обедненный слой обладает малой электропроводностью (в нем практически отсутствуют подвижные носители заряда), то он на­зывается запирающим слоем или областью объемного заряда.

В n- и р-областях полупроводника, кроме основных носителей, существуют неосновные: дырки в n-области и электроны в р-области. Неосновные носители совершают тепловое движение (дрейф) и перемещаются к запирающему слою p-n перехода. Их перемещение характеризуется подвижностью µ. Подвижность равна средней скорости, приобретаемой носителями заряда в направле­нии действия электрического поля с напряженностью E = 1 В/м:



Поле p-n перехода является ускоряющим для неосновных носителей заряда. Электроны (неосновные носители р-области), подойдя к переходу, подхватываются электрическим полем и пе­ребрасываются в n-область, а дырки n-области — в р-область. Дрейф неосновных носителей вызывает появление электронной и дырочной составляющих тока дрейфа.

При комнатной температуре некоторое количество основных носителей заряда обладает энергией, достаточной для преодоления поля запирающего слоя, и протекает незначительный диффу­зионный ток. Этот ток уравновешивается дрейфовым током. По­этому при отсутствии внешнего поля в p-n переходе устанавливается термодинамическое равновесие токов

Не равномерность концентрации носителей зарядов в полу­проводнике возникает при воздействии внешних управляющих факторов: электрического поля, нагревания, освещения и др. Равновесие концентраций электронов и дырок в полупроводнике нарушается и появляется дополнительная неравновесная концен­трация носителей заряда. После прекращения внешнего воздействия происходит процесс рекомбинации электронов и дырок. По­лупроводник переходит в равновесное состояние.

Контактная разность потенциалов

Вы наверняка уже заметили, что раз у нас есть области с противоположными по знаку зарядами, то должно присутствовать какое-то напряжение. Это напряжение называется контактной разностью потенциалов U_к, и составляет: для кремния (Si) — U_к = 0.9-1.2 В; для германия (Ge) — U_к = 0.6-0.7 В.

Величина контактной разности потенциалов (потенциального барьера) определяется положением уровней Ферми в областях n- и p-типа:



Для нахождения аналитического выражения контактной разности потенциалов можно воспользоваться условием равновесного состояния p-n перехода, и соотношением Эйнштейна для коэффициента диффузии и подвижности носителей заряда:



где:

— тепловой потенциал (е – элементарный заряд электрона, k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура);

В результате получается:



Отсюда следует, что контактная разность потенциалов зависит:

1) от ширины запрещенной зоны полупроводника. При оди­наковых концентрациях примесей она выше у полупроводников с большей шириной запрещенной зоны;

2) от концентрации примесей в смежных областях полупро­водника. При их увеличении контактная разность потенциалов возрастает;

3) от температуры полупроводника. При ее увеличении кон­тактная разность потенциалов уменьшается.

p-n переход при прямом напряжении

При подключении к p-n переходу внешнего электрического по­ля динамическое равновесие токов нарушается. Поведение перехода зависит при этом от полярности приложенного напряжения. Если внешнее напряжение приложено навстречу контактной разности по­тенциалов, иначе говоря, «плюс» приложен к p-области, а «минус» — к n-области, то такое включение p-n перехода называют прямым. Внешнее (прямое) напряжение почти полностью падает на p-n переходе, сопротивление которого во много раз выше сопро­тивления p- и n-областей. С увеличением прямого напряжения высо­та потенциального барьера уменьшается: U₁ = U_к – U_пр. Основные носители областей полупроводника, приближаясь к p-n переходу, частично компенсируют объемные пространст­венные заряды, уменьшая тем самым ширину запирающего слоя и его со­противление. В цепи про­текает электрический ток, при этом диффузионная составляющая тока через переход увеличивается, а дрей­фовая — уменьшается.

При |U_к| = |U_пр| толщина p-n пере­хода стремится к нулю и при даль­нейшем увеличении U_пр запирающий слой исчезает. Вследствие этого элек­троны и дырки (основные носители заряда в n- и p-областях) начинают свободно диффундировать в смежные области полупроводника.

Процесс переноса носителей заряда через прямосмещенный электронно-дырочный переход в область полупроводника, где они становятся неосновными носителями, называется инжекцией. Часто прямой ток называют током инжекции.



Рис.6. p-n переход при прямом напряжении.

В несимметричном p-n переходе, когда концентрация элек­тронов в n-области во много раз больше концентрации дырок в p-области, диффузионный поток электронов во много раз превыша­ет поток дырок и ими можно пренебречь. В данном случае имеет место односторонняя инжекция электронов. Область, из которой происходит инжекция, называют эмиттером, а область, в которую инжектируются носители, — базой.

Неравновесные неосновные носители зарядов диффундируют вглубь полупроводника и нарушают его электронейтральность. Вос­становление электронейтральности происходит за счет поступления носителей заряда от внешнего источника взамен ушедших к p-n пе­реходу и исчезнувших в результате рекомбинации. Это приводит к появлению электрического тока во внешней цепи — прямого тока.

p-n переход при обратном напряжении

При обратном включении p-n перехода внешнее напряжение приложено знаком «плюс» к n-области, а «минус» — к p-области. Создаваемое им электрическое поле совпадает по направлению с внутренним полем перехода, увеличивая высоту потенциального барьера: U₁ = U_к + U_обр.

Под действием обратного на­пряжения основные носители будут отталкиваться от граничного слоя, и дрейфовать вглубь полупроводника. При этом ширина слоя, обедненного основными носителями, увели­чивается по сравнению с равно­весным состоянием. Сопротив­ление p-n перехода для прохождения тока основных но­сителей увеличивается. Проис­ходит изменение в соотношении токов через p-n переход. Диффу­зионный ток уменьшается и в предельном случае с ростом по­тенциального барьера стремится к нулю. Для неосновных носителей заряда поле в p-n переходе оста­ется ускоряющим, они захваты­ваются им и переносятся через p-n переход. Процесс переноса неосновных носителей заряда че­рез обратносмещённый p-n переход в область полупроводника, где они становятся основными носителями, называется экстракцией.



Рис.7. p-n переход при обратном напряжении.

Дрейфовый ток, создаваемый неосновными носителями, на­зывается тепловым током I_т. Так как концентрация неосновных носителей относительно мала, то и ток, образуемый ими, не мо­жет быть большим. Кроме того, он практически не зависит от напряженности поля в p-n переходе, т.е. является током насыще­ния неосновных носителей. Все неосновные носители, которые подходят к p-n переходу, совершают переход через него под дей­ствием поля независимо от его напряженности. Поэтому ток I_т определяется только концентрацией неосновных носителей и их подвижностью. Концентрация неосновных носителей, а, следова­тельно, и тепловой ток сильно зависят от температуры.

При |U_обр| ≫ U_к током основных носителей заряда можно пренебречь. Поэтому тепловой ток I_т в этом случае называют током насыщения.

Таким образом, p-n переход обладает вентильными свойст­вами, т.е. односторонней проводимостью:

1) при приложении прямого напряжения (прямое смещение) через переход проте­кает электрический ток, значение которого при повышении на­пряжения увеличивается по экспоненциальному закону. Сопро­тивление перехода минимально;

2) при смещении p-n перехода в обратном направлении, его сопротивление возрастает и через переход протекает малый теп­ловой ток.

Обратный ток I_обр возрастает при уменьшении ширины за­прещенной зоны полупроводника, из которой выполнен p-n переход. У германиевых p-n переходов I_обр обычно на два-четыре порядка выше, чем у кремниевых.

Заключение

Подведя итог, можно сказать, что нанотехнологическая промышленность является самой перспективной отраслью на сегодняшний день и находит свое применение практических во всех отраслях жизни и общества.

Несмотря на бурное развитие биотехнологий, появление биочипов сохранит востребованность очень долго. Именно поэтому, современная, и прежде всего, полупроводниковая электроника, которую сегодня можно назвать наноэлектроникой, является самым мощным потребителем научных исследований, в том числе фундаментальных, и, безусловно, прикладных.

Список использованной литературы

1. 
   https://poisk-ru.ru/s12807t3.html ( дата обращения: 9.11.2020)
   
2. 
   https://mydocx.ru/11-97721.html  ( дата обращения: 9.11.2020)
   
3. 
   https://studopedia.su/18_44438_fizicheskie-protsessi-v-poluprovodnikah.html ( дата обращения: 9.11.2020)
   
4. 
   https://siblec.ru/estestvennye-nauki/khimiya-radiomaterialov/3-poluprovodnikovye-materialy/3-10-poluprovodnikovye-soedineniya-tipa-aiivvi ( дата обращения: 24.11.2020)
   
5. 
   https://electronov.net/info-part/index/active-elements/physics-base/2/( дата обращения: 28.11.2020)
   
6. 
   Башков О.В, Башкова Т.И. Материаловедение: Учебное пособие. / Башков О.В, Башкова Т.И. – Комсомольский-на-Амуре: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре гос. техн. ун-т», 2003. – 145с.
   
7. 
   Марков, В. Ф. Материалы современной электроники : [учеб. пособие] / В. Ф. Марков, Х. Н. Мухамедзянов, Л. Н. Маскаева ; [под общ. ред. В. Ф. Маркова] ; М-во образования и науки Рос. Федерации, Урал. федер. ун-т. – Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2014. – 272 с.