Какво е полупроводник? Примери за полупроводници. Видове, свойства, практическо приложение

Говорихме за проводници и диелектрици и накратко споменахме, че има междинна форма на проводимост, която при определени условия може да придобие свойствата на проводник или диелектрик. Този тип вещество се нарича полупроводник.

Нека ви напомня: по отношение на електрическите свойства полупроводниците заемат средно място между проводниците и непроводниците на ток.
Най-често за производството на полупроводници се използват германий, силиций и по-рядко - селен, меден оксид и други вещества.

Електрическата проводимост на полупроводниците силно зависи от температура на околната среда. При температури, близки до абсолютната нула (-273C), те се държат като изолатори по отношение на електрически ток. Повечето проводници, напротив, при тази температура стават свръхпроводящи, т.е. почти не оказват съпротивление на тока. С повишаване на температурата на проводниците, тяхното съпротивление срещу електрически ток се увеличава, а съпротивлението на полупроводниците намалява. Електрическата проводимост на проводниците не се променя при излагане на светлина. Електрическата проводимост на полупроводниците под въздействието на светлината, така наречената фотопроводимост, се увеличава.

Полупроводниците могат да преобразуват светлинната енергия в електрически ток. Това абсолютно не е типично за диригентите. Електрическата проводимост на полупроводниците се увеличава рязко, когато в тях се въведат атоми на някои други елементи. Електрическата проводимост на проводниците намалява, когато в тях се въвеждат примеси.

Германий и силиций, които са изходни материалиМного съвременни полупроводникови устройства имат четири валентни електрона във външните слоеве на техните черупки.Общо в един германиев атом има 32 електрона, а в един силициев атом - 14. Но 28 германиеви електрона и 10 силициеви електрона, разположени във вътрешните слоеве на техните черупки, са здраво задържани от ядрата и при никакви обстоятелства не се отделят от тях. Само четири валентни електрона на атомите на тези полупроводници могат, и дори тогава не винаги, да станат свободни. Полупроводников атом, който е загубил поне един електрон, става положителен йон. В полупроводника атомите са подредени в строг ред: всеки от тях е заобиколен от четири подобни атома. Те също са разположени толкова близо един до друг, че техните валентни електрони образуват единични орбити, преминаващи около всички съседни атоми, свързвайки ги в едно вещество.
Тази връзка на атомите в полупроводников кристал може да си представим под формата на плоска диаграма, както е показано на фиг. 1, а. Тук големи топки със знак "+" условно представляват ядрата на атомите с вътрешни слоевеелектронна обвивка (положителни йони) и малки топчета - валентни електрони . Всеки атом е заобиколен от четири абсолютно еднакви. Всеки от тях е свързан с всеки съседен чрез два валентни електрона, единият от които е „собствен“, а вторият е заимстван от „съседния“. Това е двуелектронна или валентна връзка. Най-силната връзка! На свой ред външният слой на електронната обвивка на всеки атом съдържа осем електрона: четири собствени и по един от четири съседни атома. Тук вече не е възможно да се разграничи кой от валентните електрони е „ваш“ и кой е „чужд“, тъй като те са станали общи. При такова свързване на атоми в цялата маса на германиев или силициев кристал можем да считаме, че полупроводниковият кристал е една голяма молекула. Диаграмата на взаимното свързване на атомите в полупроводника може да бъде опростена за по-голяма яснота, като се изобрази, както е показано на фиг. 1, 6. Тук ядрата на атомите с вътрешни електронни обвивки са показани като кръгове със знак плюс, а междуатомните връзки са показани като две линии, символизиращи валентни електрони.

Електрическа проводимост на полупроводници

При температури, близки до абсолютната нула, полупроводникът се държи като абсолютен непроводник, тъй като няма свободни електрони. Ако няма повишаване на температурата, връзката на валентните електрони с атомните ядра отслабва и някои от тях могат да напуснат своите атоми поради топлинно движение. Електрон, избягал от междуатомна връзка, става Безплатно (на фиг. 1, b - черна точка), а там, където е било преди, се образува празно пространство. Това празно пространство в междуатомната връзка на полупроводника се нарича условно дупка (на фиг. 1,б има прекъсната линия). Колкото по-висока е температурата, толкова повече свободни електрони и дупки се появяват. По този начин образуването на дупка в масата на полупроводника е свързано с излизането на валентния електрон от обвивката на атома, а появата на дупка съответства на появата на положителен електрически заряд, равен на отрицателния електрон.

Фигура 1. Диаграма на връзката на атомите в полупроводников кристал (а) и опростена диаграма на неговата структура (б).

Сега погледнете фигурата. 2. Схематично показва явлението генериране на ток в полупроводник. Причината за тока е напрежението, приложено към полюсите (на фиг. 2 източникът на напрежение е символизиран със знаците "+" и "-"). Поради топлинните явления определен брой електрони се освобождават от междуатомните връзки в цялата маса на полупроводника (на фиг. 2 те са обозначени с точки със стрелки). Електроните, освободени близо до положителния полюс на източника на напрежение, се привличат от този полюс и напускат масата на полупроводника, оставяйки след себе си дупки. Електроните, които са напуснали междуатомните връзки на известно разстояние от положителния полюс, също се привличат от него и се придвижват към него. Но, срещайки дупки по пътя си, електроните сякаш „скачат“ в тях (фиг. 2, а) и междуатомните връзки се запълват. А дупките, които са най-близо до отрицателния полюс, се запълват с други електрони, избягали от атоми, разположени още по-близо до отрицателния полюс (фиг. 2, b). Докато електрическото поле е активно в полупроводника, този процес продължава: някои междуатомни връзки се разкъсват - валентните електрони ги напускат, появяват се дупки - и други междуатомни връзки се запълват - електроните, освободени от някои други междуатомни връзки, „скачат“ в дупките (фиг. 2 , b-c).

Фигура 2. Схема на движение на електрони и дупки.

При температури над абсолютната нула свободните електрони и дупките непрекъснато се появяват и изчезват в полупроводника, дори когато няма външни електрически полета. Но електроните и дупките се движат хаотично в различни посоки и не напускат полупроводника. В чист полупроводник броят на електроните, освободени във всеки момент от времето, е равен на броя на дупките, образувани в този случай. Общият им брой при стайна температураотносително малък. Следователно електрическата проводимост на такъв полупроводник е (наричан собствен) , е малък, осигурява доста голяма устойчивост на електрически ток. Но ако към чист полупроводник се добави дори незначително количество примес под формата на атоми на други елементи, неговата електрическа проводимост ще се увеличи рязко. В този случай, в зависимост от структурата на атомите на примесните елементи, електрическата проводимост на полупроводника ще бъде електронен или дупка .

Електронна проводимост

Ако който и да е атом в полупроводников кристал бъде заменен с атом на антимон, който има пет валентни електрона във външния слой на електронната обвивка, този „чужд“ атом ще се свърже с четири електрона към четири съседни атома на полупроводника. Петият валентен електрон на атома на антимона ще бъде „допълнителен“ и ще стане свободен. Колкото повече атоми на антимон се въвеждат в полупроводника, толкова повече свободни електрони ще има в неговата маса. Следователно, полупроводник с примес на антимон е близък по свойствата си до метал: за да премине през него електрически ток, не е необходимо да се разрушават междуатомните връзки в него. Те се наричат ​​електропроводими или тип (n) полупроводници. Тук латинската буква n е началната буква на латинската дума отрицателен (отрицателен), което означава „отрицателен“ . Този термин в този случай трябва да се разбира в смисъл, че в n-тип полупроводник основните носители на ток са отрицателни заряди, т.е. електрони.

Проводимост на дупки

Съвсем различна картина ще се получи, ако в полупроводника се въведат атоми с три валентни електрона, например индий. Всеки метален атом на индий със своите три електрона ще запълни връзки само с три съседни атома на полупроводника и му липсва един електрон, за да запълни връзката с четвъртия. Образува се дупка. Той, разбира се, може да бъде запълнен с някакъв вид електрон, който е избягал от валентната връзка с други атоми на полупроводника. Въпреки това, независимо къде са дупките, няма да има достатъчно електрони в масата на легирания с индий полупроводник, за да ги запълни. И колкото повече индиеви примесни атоми се въвеждат в полупроводника, толкова повече дупки се образуват в него. За да могат електроните да се движат в такъв полупроводник, валентните връзки между атомите трябва да бъдат разрушени. Електроните, които излизат от тях или електроните, които влизат в полупроводника отвън, се движат от дупка в дупка. И в цялата маса на полупроводника във всеки момент броят на дупките ще бъде по-голям от общия брой свободни електрони. Те се наричат ​​полупроводници с дупкова електрическа проводимост или тип (p). Латинска буква r - първата буква от латинска дума positiv (положителен), което означава „положителен“. Този термин в този случай трябва да се разбира в смисъл, че явлението електрически ток в масата на полупроводник от тип (p) е придружено от непрекъсната поява и изчезване на положителни заряди - дупки. Движейки се през масата на полупроводника, дупките действат като носители на ток. Полупроводниците от тип p, както и тип n, имат многократно по-добра електропроводимост в сравнение с чистите.
Трябва да се каже, че практически няма както напълно чисти полупроводници, така и абсолютно електропроводими типове n и p. Полупроводник с добавка на индий задължително съдържа малък брой атоми на някои други елементи, които му придават електронна проводимост, а с добавка на антимон има атоми на елементи, които създават дупка електрическа проводимост в него. Например, в полупроводник, който има обща електрическа проводимост от тип n, има дупки, които могат да бъдат запълнени със свободни електрони от примесни атоми на антимон. В резултат на това електрическата проводимост ще се влоши донякъде, но като цяло ще запази електронната проводимост. Подобно явление ще се наблюдава, ако свободни електрони влязат в полупроводник с характер на дупка.

Следователно в полупроводниците от тип n основните носители на ток са електроните (преобладава електронната електропроводимост), а в полупроводниците от тип p основните носители на ток са дупките (преобладава електропроводимостта на дупките).

В тази статия няма нищо особено важно или интересно, а само отговор на прост въпрос за "манекени": кои са основните свойства, които отличават полупроводниците от металите и диелектриците?

Полупроводниците са материали (кристали, поликристални и аморфни материали, елементи или съединения) с наличие на забранена зона (между зоната на проводимост и валентната зона).

Електронните полупроводници се наричат ​​кристали и аморфни вещества, които по отношение на електропроводимостта заемат междинно положение между металите (σ = 10 4 ÷10 6 Ohm -1 cm -1) и диелектриците (σ = 10 -10 ÷10 -20 Ohm -1 cm -1). Въпреки това даденото гранични стойностипроводимостта е много условна.

Теорията на лентите дава възможност да се формулира критерий, който дава възможност да се разделят твърдите тела на два класа - метали и полупроводници (изолатори). Металите се характеризират с наличието на свободни нива във валентната лента, към които могат да се движат електрони, получавайки допълнителна енергия, например поради ускорение в електрическо поле. Отличителна черта на металите е, че в тяхното основно, невъзбудено състояние (при 0 K) те имат електрони на проводимост, т.е. електрони, които участват в подредено движение под въздействието на външно електрическо поле.

В полупроводниците и изолаторите при 0 К валентната зона е напълно заселена, а зоната на проводимост е отделена от нея със забранена зона и не съдържа носители. Следователно не много силното електрическо поле не е в състояние да укрепи електроните, разположени във валентната лента, и да ги прехвърли в проводимата зона. С други думи, такива кристали при 0 K трябва да бъдат идеални изолатори. Когато температурата се повиши или такъв кристал бъде облъчен, електроните могат да абсорбират кванти топлинна или лъчиста енергия, достатъчни, за да се преместят в зоната на проводимост. По време на този преход във валентната лента се появяват дупки, които също могат да участват в преноса на електричество. Вероятността електрон да се прехвърли от валентната зона към зоната на проводимост е пропорционална на ( -Еж/ kT), Където дж - ширина на забранената зона. С голяма стойност дж (2-3 eV) тази вероятност се оказва много малка.

По този начин разделянето на веществата на метали и неметали има много определена основа. Обратно, разделението на неметалите на полупроводници и диелектрици няма такава основа и е чисто условно.

Преди това се смяташе, че веществата със забранена лента могат да бъдат класифицирани като диелектрици дж≈ 2÷3 eV, но по-късно се оказа, че много от тях са типични полупроводници. Освен това беше показано, че в зависимост от концентрацията на примеси или излишни (над стехиометричния състав) атоми на един от компонентите, един и същ кристал може да бъде както полупроводник, така и изолатор. Това се отнася например за кристали от диамант, цинков оксид, галиев нитрид и др. Дори такива типични диелектрици като титанати на барий и стронций, както и рутил, при частично редуциране придобиват свойствата на полупроводници, което е свързано с появата на излишни метални атоми в тях.

Разделянето на неметалите на полупроводници и диелектрици също има определено значение, тъй като са известни редица кристали, чиято електронна проводимост не може да бъде значително увеличена нито чрез въвеждане на примеси, нито чрез осветяване или нагряване. Това се дължи или на много краткия живот на фотоелектроните, или на съществуването на дълбоки капани в кристалите, или на много ниската подвижност на електроните, т.е. с изключително ниска скорост на дрейфа им в електрическо поле.

Електрическата проводимост е пропорционална на концентрацията n, заряда e и подвижността на носителите на заряд. Следователно температурната зависимост на проводимостта на различни материали се определя от температурните зависимости на посочените параметри. За всички електронни проводници заряд дпостоянен и независим от температурата. В повечето материали стойността на подвижността обикновено леко намалява с повишаване на температурата поради увеличаване на интензивността на сблъсъци между движещи се електрони и фонони, т.е. поради разсейване на електрони от вибрации на кристалната решетка. Следователно различното поведение на металите, полупроводниците и диелектриците се свързва главно с концентрацията на носителите на заряд и нейната температурна зависимост:

1) в металите концентрацията на носители на заряд n е висока и се променя леко с температурни промени. Променливата, включена в уравнението за електрическа проводимост, е мобилността. И тъй като подвижността леко намалява с температурата, електрическата проводимост също намалява;

2) в полупроводници и диелектрици нобикновено нараства експоненциално с температурата. Този бърз растеж нима най-значителен принос за промените в проводимостта, отколкото намаляването на мобилността. Следователно електрическата проводимост се увеличава бързо с повишаване на температурата. В този смисъл диелектриците могат да се разглеждат като известен ограничаващ случай, тъй като при обикновени температури стойността нв тези вещества е изключително малък. При високи температури проводимостта на отделните диелектрици достига нивото на полупроводниците поради увеличаване н. Наблюдава се и обратното - при ниски температури някои полупроводници стават изолатори.

Библиография

1. Уест А. Химия твърдо. Част 2 Пер. от английски - М.: Мир, 1988. - 336 с.
2. Съвременна кристалография. Т.4. Физични свойствакристали. - М.: Наука, 1981.

Студенти от група 501 на Химическия факултет: Беззубов С.И., Воробьова Н.А., Ефимов А.А.

Едно от основните свойства на p‑n-прехода е неговата способност да пропуска електрически ток в една (права) посока хиляди и милиони пъти по-добре, отколкото в обратна посока.

Полупроводниците са клас вещества, които заемат междинно положение между вещества, които добре провеждат електрически ток (проводници, главно метали) и вещества, които практически не провеждат електрически ток (изолатори или диелектрици).

Полупроводниците се характеризират със силна зависимост на техните свойства и характеристики от микроскопичните количества примеси, които съдържат. Чрез промяна на количеството примеси в полупроводник от десет милионни от процента на 0,1–1%, можете да промените тяхната проводимост милиони пъти. Друго важно свойство на полупроводниците е, че електрическият ток се пренася в тях не само от отрицателни заряди - електрони, но и от положителни заряди с еднаква големина - дупки.

Ако разгледаме идеализиран полупроводников кристал, абсолютно свободен от всякакви примеси, тогава неговата способност да провежда електрически ток ще се определя от така наречената собствена електрическа проводимост.

Атомите в полупроводниковия кристал са свързани един с друг с помощта на електрони във външната електронна обвивка. По време на топлинните вибрации на атомите топлинната енергия се разпределя неравномерно между електроните, образуващи връзки. Индивидуалните електрони могат да получат достатъчно топлинна енергия, за да се „откъснат“ от своя атом и да могат да се движат свободно в кристала, т.е. да станат потенциални носители на ток (с други думи, те се преместват в зоната на проводимост). Такова отпътуване на електрони нарушава електрическата неутралност на атома, той придобива положителен заряд, равен по величина на заряда на отлетялия електрон. Това празно място се нарича дупка.

Тъй като празното място може да бъде заето от електрон от съседна връзка, дупката също може да се премести вътре в кристала и да стане положителен токоносител. Естествено, при тези условия електроните и дупките се появяват в равни количества и електрическата проводимост на такъв идеален кристал ще се определя еднакво както от положителните, така и от отрицателните заряди.

Ако на мястото на атом на основния полупроводник поставим примесен атом, чиято външна електронна обвивка съдържа един електрон повече от атома на основния полупроводник, тогава такъв електрон ще се окаже излишен, ненужен за образуването на междуатомни връзки в кристала и слабо свързани с неговия атом. Десетки пъти по-малко енергия е достатъчна, за да го откъсне от неговия атом и да го превърне в свободен електрон. Такива примеси се наричат ​​донорни, т.е. даряват „допълнителен“ електрон. Атомът на примеса е зареден, разбира се, положително, но не се появява дупка, тъй като дупка може да бъде само празно място на електрон в незапълнена междуатомна връзка и в този случай всички връзки са запълнени. Този положителен заряд остава свързан със своя атом, неподвижен и следователно не може да участва в процеса на електропроводимост.

Въвеждането на примеси в полупроводник, чиято външна електронна обвивка съдържа по-малко електрони, отколкото в атомите на основното вещество, води до появата на незапълнени връзки, т.е. дупки. Както бе споменато по-горе, това празно място може да бъде заето от електрон от съседна връзка и дупката може да се движи свободно в целия кристал. С други думи, движението на дупка е последователен преход на електрони от една съседна връзка към друга. Такива примеси, които "приемат" електрон, се наричат ​​акцепторни примеси.

Ако напрежение (както е посочено в диаграмата на полярността) се приложи към метало-диелектрична полупроводникова структура от n-тип, тогава в близкия повърхностен слой на полупроводника възниква електрическо поле, което отблъсква електрони. Този слой се оказва изчерпан.

В p-тип полупроводник, където повечето носители са положителни заряди - дупки, полярността на напрежението, което отблъсква електроните, ще привлече дупки и ще създаде обогатен слой с намалено съпротивление. Промяната на полярността в този случай ще доведе до отблъскване на дупки и образуване на близък до повърхността слой с повишена устойчивост.

С увеличаване на количеството на примесите от един или друг вид електропроводимостта на кристала започва да придобива все по-ясно изразен електронен или дупков характер. В съответствие с първите букви на латинските думи negativus и positivus, електронната електрическа проводимост се нарича n-тип електрическа проводимост, а дупковата проводимост се нарича p-тип, което показва кой тип подвижни носители на заряд за даден полупроводник е основният и който е второстепенният.

При електрическа проводимост поради наличието на примеси (т.е. примеси) в кристала все още остават 2 вида носители: основните, които се появяват главно поради въвеждането на примеси в полупроводника, и незначителните, които се дължат към външния им вид термично възбуждане. Съдържанието в 1 cm 3 (концентрация) на електрони n и дупки p за даден полупроводник при дадена температура е постоянна стойност: n − p = const. Това означава, че увеличавайки концентрацията на носители от даден тип няколко пъти поради въвеждането на примеси, ние намаляваме концентрацията на носители от друг тип със същото количество. Следващото важно свойство на полупроводниците е тяхната силна чувствителност към температура и радиация. С повишаване на температурата средната енергия на вибрациите на атомите в кристала се увеличава и всичко останало голямо количествовръзките ще бъдат прекъснати. Ще се появяват все повече двойки електрони и дупки. При достатъчно високи температури собствената (топлопроводимост) може да бъде равна на проводимостта на примесите или дори значително да я надвишава. Колкото по-висока е концентрацията на примеси, толкова по-високи температури ще възникне този ефект.

Връзките могат да бъдат разкъсани и чрез облъчване на полупроводника, например със светлина, ако енергията на светлинните кванти е достатъчна, за да разкъса връзките. Енергията на разкъсване на връзките е различна за различните полупроводници, така че те реагират различно на определени части от спектъра на облъчване.

Като основни полупроводникови материали се използват кристали от силиций и германий, а като примеси се използват бор, фосфор, индий, арсен, антимон и много други елементи, които придават необходимите свойства на полупроводниците. Получаването на полупроводникови кристали с определено съдържание на примеси е много трудна задача. технологичен процес, извършвани в особено чисти условия с помощта на оборудване с висока прецизност и сложност.

Всички изброени най-важни свойства на полупроводниците се използват за създаване на полупроводникови устройства, които са много разнообразни по предназначение и области на приложение. Диоди, транзистори, тиристори и много други полупроводникови устройства са широко използвани в техниката. Използването на полупроводници започна сравнително наскоро и днес е трудно да се изброят всичките им „професии“. Те трансформират светлината и Термална енергияв електрическа енергия и, обратно, с помощта на електричество създават топлина и студ (виж Слънчева енергия). Полупроводникови устройства могат да бъдат намерени в конвенционален радиоприемник и в квантов генератор - лазер, в малка атомна батерия и в миниатюрни блокове на електронен компютър. Инженерите днес не могат без полупроводникови токоизправители, ключове и усилватели. Замяната на ламповото оборудване с полупроводниково оборудване направи възможно намаляването на размерите и теглото десетократно електронни устройства, намаляват консумацията на енергия и драстично повишават надеждността.

Можете да прочетете за това в статията Микроелектроника.

Теми на кодификатора на Единния държавен изпит: полупроводници, собствена и примесна проводимост на полупроводниците.

Досега, говорейки за способността на веществата да провеждат електрически ток, ги разделяхме на проводници и диелектрици. Съпротивлението на обикновените проводници е в диапазона Ohm m; съпротивлениедиелектрици надвишава тези стойности средно с порядъци: Ohm m.

Но има и вещества, които по своята електрическа проводимост заемат междинно положение между проводници и диелектрици. Това полупроводници: тяхното съпротивление при стайна температура може да приема стойности в много широк диапазон от Ohm m. Полупроводниците включват силиций, германий, селен и някои други химични елементи и съединения (Полупроводниците са изключително често срещани в природата. Например около 80% от масата земната кораотчита вещества, които са полупроводници). Най-широко използвани са силиций и германий.

Основната характеристика на полупроводниците е, че тяхната електрическа проводимост рязко нараства с повишаване на температурата. Съпротивлението на полупроводника намалява с повишаване на температурата приблизително, както е показано на фиг. 1 .

Ориз. 1. Зависимост за полупроводник

С други думи, при ниски температури полупроводниците се държат като диелектрици, а при високи температури се държат като доста добри проводници. Това е разликата между полупроводниците и металите: съпротивлението на метала, както си спомняте, нараства линейно с повишаване на температурата.

Има и други разлики между полупроводниците и металите. По този начин осветяването на полупроводника води до намаляване на съпротивлението му (а светлината почти не влияе върху съпротивлението на метала). В допълнение, електрическата проводимост на полупроводниците може да се промени значително с въвеждането дори на малки количества примеси.

Опитът показва, че както в случая с металите, не се извършва пренос на вещество, когато токът протича през полупроводник. Следователно електрическият ток в полупроводниците се дължи на движението на електрони.

Намаляването на съпротивлението на полупроводника при нагряване показва, че повишаването на температурата води до увеличаване на броя на свободните заряди в полупроводника. Нищо подобно не се случва в металите; следователно полупроводниците имат различен механизъм на електрическа проводимост от металите. И причината за това е различно естествохимическа връзка между атоми на метали и полупроводници.

Ковалентна връзка

Металната връзка, както си спомняте, се осигурява от газ от свободни електрони, който като лепило задържа положителни йони във възлите на кристалната решетка. Полупроводниците са структурирани по различен начин - техните атоми се държат заедно ковалентна връзка. Нека си припомним какво е.

Електрони, разположени във външното електронно ниво и т.нар валентност, са по-слабо свързани с атома, отколкото останалите електрони, които са разположени по-близо до ядрото. В процеса на образуване на ковалентна връзка два атома допринасят с един от своите валентни електрони „за общата кауза“. Тези два електрона са споделени, тоест сега принадлежат и на двата атома и затова се наричат споделена електронна двойка(фиг. 2).

Ориз. 2. Ковалентна връзка

Социализираната двойка електрони е това, което държи атомите близо един до друг (използвайки силите на електрическото привличане). Ковалентната връзка е връзка, която съществува между атомите поради споделени електронни двойки. Поради тази причина се нарича още ковалентна връзка чифт-електронен.

Кристална структура на силиций

Сега сме готови да разгледаме по-отблизо вътрешна организацияполупроводници. Като пример, помислете за най-често срещания полупроводник в природата - силиций. Вторият по важност полупроводник, германий, има подобна структура.

Пространствената структура на силиция е показана на фиг. 3 (снимка от Бен Милс). Топките представляват силициеви атоми, а свързващите ги тръби са канали на ковалентни връзки между атомите.

Ориз. 3. Кристална структура на силиций

Имайте предвид, че всеки силициев атом е свързан към четирисъседни атоми. Защо това се случва?

Факт е, че силицийът е четиривалентен - има четири валентни електрона на външната електронна обвивка на силициевия атом. Всеки от тези четири електрона е готов да образува обща електронна двойка с валентния електрон на друг атом. Ето какво се случва! В резултат на това силициевият атом е заобиколен от четири атома, закачени към него, всеки от които допринася с един валентен електрон. Съответно около всеки атом има осем електрона (четири наши и четири чужди).

Виждаме това по-подробно на плоска диаграма на силициева кристална решетка (фиг. 4).

Ориз. 4. Кристална решетка на силиций

Ковалентните връзки са изобразени като двойки линии, свързващи атоми; Тези линии съдържат общи електронни двойки. Всеки валентен електрон, разположен на такава линия повечетопрекарва време в пространството между два съседни атома.

Валентните електрони обаче по никакъв начин не са „здраво свързани“ със съответните двойки атоми. Електронните черупки се припокриват всекисъседни атоми, така че всеки валентен електрон е общо свойство на всички съседни атоми. От някой атом 1 такъв електрон може да премине към съседния атом 2, след това към съседния атом 3 и т.н. Валентните електрони могат да се движат из кристала - казват, че го правят принадлежат на целия кристал(а не която и да е атомна двойка).

Валентните електрони на силиция обаче не са свободни (какъвто е случаят с метала). В полупроводника връзката между валентните електрони и атомите е много по-силна, отколкото в метала; Силициевите ковалентни връзки не се разрушават при ниски температури. Енергията на електрона не е достатъчна, за да започне подредено движение от по-нисък потенциал към по-висок под въздействието на външно електрическо поле. Следователно при достатъчно ниски температури полупроводниците са близки до диелектриците - те не провеждат електрически ток.

Самопроводимост

Ако е включен в електрическа веригаполупроводников елемент и започнете да го нагрявате, тогава токът във веригата се увеличава. Следователно съпротивлението на полупроводника намалявас повишаване на температурата. Защо се случва това?

С повишаването на температурата топлинните вибрации на силициевите атоми стават по-интензивни и енергията на валентните електрони се увеличава. За някои електрони енергията достига стойности, достатъчни за разрушаване ковалентни връзки. Такива електрони напускат своите атоми и стават Безплатно(или електрони на проводимост) - точно същото като в метала. Във външно електрическо поле свободните електрони започват да се движат по подреден начин, образувайки електрически ток.

Колкото по-висока е температурата на силиция, толкова по-голяма е енергията на електроните и толкова по-голям е броят на ковалентните връзки, които се провалят и разрушават. Броят на свободните електрони в силициевия кристал се увеличава, което води до намаляване на съпротивлението му.

Разкъсването на ковалентните връзки и появата на свободни електрони е показано на фиг. 5. На мястото на скъсаната ковалентна връзка, a дупка- свободно място за електрон. Дупката има положителензаряд, тъй като с напускането на отрицателно зареден електрон остава некомпенсиран положителен заряд на ядрото на силициевия атом.

Ориз. 5. Образуване на свободни електрони и дупки

Дупките не остават на място - те могат да се скитат около кристала. Факт е, че един от съседните валентни електрони, „пътуващ“ между атомите, може да скочи до полученото празно място, запълвайки дупката; тогава дупката на това място ще изчезне, но ще се появи на мястото, откъдето е дошъл електронът.

При липса на външно електрическо поле движението на дупките е произволно, тъй като валентните електрони се скитат произволно между атомите. В електрическо поле обаче започва насоченидвижение на дупки. Защо? Това не е трудно за разбиране.

На фиг. Фигура 6 показва полупроводник, поставен в електрическо поле. От лявата страна на снимката е началната позиция на отвора.

Ориз. 6. Движение на дупка в електрическо поле

Къде ще отиде дупката? Ясно е, че най-вероятните скокове на електрон > дупка са в посоката срещуполеви линии (т.е. до „плюсовете“, които създават полето). Един от тези скокове е показан в средната част на фигурата: електронът скочи наляво, запълвайки празното място, а дупката съответно се измести надясно. Следващият възможен електронен скок, причинен от електрическото поле, е изобразен от дясната страна на фигурата; В резултат на този скок дупката зае ново място, разположено още по-вдясно.

Виждаме, че дупката като цяло се движи къмполеви линии - т.е. там, където се предполага, че се движат положителните заряди. Нека подчертаем още веднъж, че насоченото движение на дупка по протежение на полето се причинява от скокове на валентни електрони от атом към атом, възникващи предимно в посока срещу полето.

По този начин в силициевия кристал има два вида носители на заряд: свободни електрони и дупки. При прилагане на външно електрическо поле се появява електрически ток, причинен от тяхното подредено противоположно движение: свободните електрони се движат противоположно на вектора на напрегнатост на полето, а дупките - по посока на вектора.

Появата на ток поради движението на свободни електрони се нарича електронна проводимост, или n-тип проводимост. Процесът на организирано движение на дупките се нарича дупка проводимост,или p-тип проводимост(от първите букви на латинските думи negativus (отрицателен) и positivus (положителен)). И двете проводимости - електронна и дупкова - се наричат ​​заедно собствена проводимостполупроводник.

Всеки електрон, напуснал прекъсната ковалентна връзка, генерира двойка „свободен електрон-дупка“. Следователно концентрацията на свободни електрони в кристал от чист силиций е равна на концентрацията на дупки. Съответно, когато кристалът се нагрява, концентрацията не само на свободни електрони, но и на дупки се увеличава, което води до увеличаване на присъщата проводимост на полупроводника поради увеличаване както на електроната, така и на дупката.

Наред с образуването на свободни двойки електрон-дупка протича и обратният процес: рекомбинациясвободни електрони и дупки. А именно, свободен електрон, срещайки дупка, запълва това празно място, възстановявайки прекъснатата ковалентна връзка и се превръща във валентен електрон. Така в полупроводника се установява динамично равновесие: средният брой разкъсвания на ковалентни връзки и образуването на двойки електрон-дупка за единица време е равен на средния брой рекомбиниращи електрони и дупки. Това състояние на динамично равновесие определя равновесната концентрация на свободни електрони и дупки в полупроводника при дадени условия.

Промените във външните условия изместват състоянието на динамично равновесие в една или друга посока. В този случай равновесната стойност на концентрацията на носители на заряд естествено се променя. Например, броят на свободните електрони и дупки се увеличава, когато полупроводникът се нагрява или осветява.

При стайна температура концентрацията на свободни електрони и дупки в силиция е приблизително равна на см. Концентрацията на силициевите атоми е от порядъка на см. С други думи, има само един свободен електрон на силициев атом! Това е много малко. В металите, например, концентрацията на свободни електрони е приблизително равна на концентрацията на атомите. съответно присъща проводимост на силиций и други полупроводници при нормални условиямалка в сравнение с проводимостта на металите.

Примесна проводимост

Най-важната характеристика на полупроводниците е, че тяхното съпротивление може да бъде намалено с няколко порядъка в резултат на въвеждането дори на много малко количество примеси. В допълнение към собствената си проводимост, полупроводникът има доминираща примесна проводимост. Благодарение на този факт полупроводниковите устройства са намерили такова широко приложение в науката и технологиите.
Да предположим, например, че малко петвалентен арсен се добавя към силициевата стопилка. След кристализацията на стопилката се оказва, че атомите на арсена заемат места в някои възли на образуваната силициева кристална решетка.

Най-външното електронно ниво на атома на арсена има пет електрона. Четири от тях образуват ковалентни връзки с най-близките си съседи - силициевите атоми (фиг. 7). Каква е съдбата на петия електрон, който не е зает в тези връзки?

Ориз. 7. Полупроводник от N-тип

И петият електрон става свободен! Факт е, че енергията на свързване на този „допълнителен“ електрон с атома на арсен, разположен в силициевия кристал, е много по-малка от енергията на свързване на валентните електрони със силициевите атоми. Следователно, вече при стайна температура, почти всички атоми на арсен в резултат на топлинно движение остават без пети електрон, превръщайки се в положителни йони. А силициевият кристал, съответно, е пълен със свободни електрони, които са били отделени от атомите на арсена.

Запълването на кристал със свободни електрони не е нещо ново за нас: видяхме това по-горе, когато беше нагрят чистасилиций (без никакви примеси). Но сега ситуацията е коренно различна: появата на свободен електрон, напускащ атом на арсен, не е придружена от появата на подвижна дупка. Защо? Причината е същата - връзката на валентните електрони със силициевите атоми е много по-силна, отколкото с атома на арсен в петата свободна позиция, следователно електроните на съседните силициеви атоми не се стремят да запълнят тази празна позиция. По този начин празното място остава на мястото си, то е, така да се каже, „замразено“ за атома на арсена и не участва в създаването на ток.

По този начин, въвеждането на петвалентни арсенови атоми в силициевата кристална решетка създава електронна проводимост, но не води до симетричен външен вид на проводимост на дупки. Основната роля в създаването на ток сега принадлежи на свободните електрони, които в този случай се наричат основни превозвачизареждане.

Механизмът на присъщата проводимост, разбира се, продължава да работи дори в присъствието на примеси: ковалентните връзки все още се разкъсват поради топлинно движение, генерирайки свободни електрони и дупки. Но сега има много по-малко дупки от свободните електрони, които в големи количестваосигурени от атоми арсен. Следователно в този случай дупките ще бъдат неосновни медиизареждане.

Наричат ​​се примеси, чиито атоми отдават свободни електрони без появата на равен брой подвижни дупки донор. Например петвалентният арсен е донорен примес. Ако в полупроводника има донорен примес, основните носители на заряд са свободни електрони, а малцинствените носители на заряд са дупки; с други думи, концентрацията на свободни електрони е много по-висока от концентрацията на дупки. Поради това се наричат ​​полупроводници с донорни примеси електронни полупроводници, или n-тип полупроводници(или просто n-полупроводници).

И колко, интересно, концентрацията на свободни електрони може да надвишава концентрацията на дупки в n-полупроводник? Нека направим едно просто изчисление.

Нека приемем, че примесът е , тоест има един атом арсен на хиляда атома силиций. Концентрацията на силициевите атоми, както си спомняме, е от порядъка на cm.

Съответно концентрацията на арсенови атоми ще бъде хиляда пъти по-малка: см. Концентрацията на свободни електрони, отдадени от примеса, също ще бъде същата - в края на краищата всеки арсенов атом отдава електрон. Сега нека си припомним, че концентрацията на двойки електрон-дупка, които се появяват, когато силициевите ковалентни връзки се разкъсат при стайна температура, е приблизително равна на см. Усещате ли разликата? Концентрацията на свободни електрони в този случай е по-голяма от концентрацията на дупки с порядъци, тоест милиард пъти! Съответно, съпротивлението на силициевия полупроводник намалява милиард пъти, когато се въведе толкова малко количество примес.

Горното изчисление показва, че в полупроводниците от n-тип основната роля наистина се играе от електронната проводимост. На фона на такова колосално превъзходство в броя на свободните електрони приносът на движението на дупките към общата проводимост е незначителен.

Напротив, възможно е да се създаде полупроводник с преобладаваща дупкова проводимост. Това ще се случи, ако в силициев кристал се въведе тривалентен примес - например индий. Резултатът от такова изпълнение е показан на фиг. 8 .

Ориз. 8. Полупроводник тип P

Какво се случва в този случай? Най-външното електронно ниво на индиевия атом съдържа три електрона, които образуват ковалентни връзки с трите околни силициеви атома. За четвъртия съседен силициев атом атомът на индия вече няма достатъчно електрон и на това място се появява дупка.

И тази дупка не е проста, а специална - с много страхотна енергиякомуникации. Когато електрон от съседен силициев атом попадне в него, той ще „заседне в него завинаги“, тъй като привличането на електрона към индиевия атом е много силно - повече, отколкото към силициевите атоми. Атомът на индия ще се превърне в отрицателен йон, а на мястото, откъдето идва електронът, ще се появи дупка - но сега обикновена подвижна дупка под формата на прекъсната ковалентна връзка в кристална решеткасилиций Тази дупка ще започне да се скита около кристала по обичайния начин поради „щафетното състезание“ прехвърляне на валентни електрони от един силициев атом към друг.

И така, всеки примесен индиев атом генерира дупка, но не води до симетричното появяване на свободен електрон. Такива примеси, чиито атоми „плътно“ улавят електрони и по този начин създават подвижна дупка в кристала, се наричат акцептор.

Тривалентният индий е пример за акцепторен примес.

Ако акцепторен примес се въведе в кристал от чист силиций, тогава броят на дупките, генерирани от примеса, ще бъде много по-голям от броя на свободните електрони, създадени поради разкъсването на ковалентните връзки между силициевите атоми. Полупроводник с акцепторен примес е дупков полупроводник, или p-тип полупроводник(или просто р-полупроводник).

Игра на дупки Главна роляпри създаване на ток в p-полупроводник; дупки - основни носители на заряд. Свободни електрони - второстепенни медиизаряд в p-полупроводник. Движението на свободните електрони в този случай не допринася значително: електрическият ток се осигурява предимно от проводимостта на дупките.

p–n преход

Точката на контакт между два полупроводника различни видовепроводимост (електронна и дупкова) се нарича преход електрон-дупка, или p–n преход. В областта на p–n прехода възниква интересно и много важно явление – еднопосочна проводимост.

На фиг. 9 показва контакта на области от р- и n-тип; цветните кръгове са дупки и свободни електрони, които са мнозинството (или малцинството) носители на заряд в съответните региони.

Ориз. 9. Блокиращ слой на p–n прехода

Извършвайки топлинно движение, носителите на заряд проникват през интерфейса между регионите.

Свободните електрони се преместват от n-областта в p-областта и там се рекомбинират с дупки; дупките дифундират от p-областта към n-областта и там се рекомбинират с електрони.

В резултат на тези процеси в електронния полупроводник в близост до контактната граница остава некомпенсиран заряд на положителни йони на донорния примес, а в дупковия полупроводник (също близо до границата) се появява некомпенсиран отрицателен заряд на акцепторните примесни йони. Тези некомпенсирани пространствени заряди образуват т.нар бариерен слой, чието вътрешно електрическо поле предотвратява по-нататъшната дифузия на свободни електрони и дупки през контактната граница.

Нека сега свържем източник на ток към нашия полупроводников елемент, прилагайки "плюса" на източника към n-полупроводника и "минуса" към p-полупроводника (фиг. 10).

Ориз. 10. Включване в обратна посока: няма ток

Виждаме, че външното електрическо поле премества основните носители на заряд по-далеч от контактната граница. Ширината на блокиращия слой се увеличава и неговото електрическо поле се увеличава. Съпротивлението на блокиращия слой е високо и основните носители не са в състояние да преодолеят p–n прехода. Електрическото поле позволява само миноритарни носители да пресичат границата, но поради много ниската концентрация на малцинствени носители, токът, който създават, е незначителен.

Разглежданата схема се нарича включване на p–n прехода в обратна посока. Електрически токняма основни носители; има само незначителен миноритарен ток на носещия. В този случай p–n преходът се оказва затворен.

Сега нека променим полярността на връзката и приложим "плюс" към p-полупроводника и "минус" към n-полупроводника (фиг. 11). Тази схема се нарича превключване напред.

Ориз. 11. Включване в права посока: протича ток

В този случай външното електрическо поле е насочено срещу блокиращото поле и отваря пътя за мажоритарните носители през p–n прехода. Бариерният слой изтънява и устойчивостта му намалява.

Има масивно движение на свободни електрони от n-областта към p-областта, а дупките от своя страна се втурват заедно от p-областта към n-областта.

Във веригата възниква ток, причинен от движението на основните носители на заряд (Сега обаче електрическото поле предотвратява тока на малцинствените носители, но този незначителен фактор няма забележим ефект върху общата проводимост).

Използва се еднопосочна проводимост на p–n прехода полупроводникови диоди. Диодът е устройство, което провежда ток само в една посока; в обратна посока, през диода не преминава ток (диодът се казва, че е затворен). Схематична илюстрациядиод, показан на фиг. 12 .

Ориз. 12. Диод

В този случай диодът е отворен в посока отляво надясно: зарядите изглежда текат по стрелката (виждате ли я на фигурата?). В посока от дясно на ляво зарядите изглеждат опряни в стената - диодът е затворен.

Най-известният полупроводник е силиций (Si). Но освен него има много други. Пример за това са такива естествени полупроводникови материали като цинкова бленда (ZnS), куприт (Cu 2 O), галенит (PbS) и много други. Семейството от полупроводници, включително полупроводници, синтезирани в лаборатории, представлява един от най-разнообразните класове материали, познати на човека.

Характеристики на полупроводниците

От 104 елемента на периодичната таблица 79 са метали, 25 са неметали, от които 13 имат полупроводникови свойства и 12 имат диелектрични свойства. Основната разлика между полупроводниците е, че тяхната електропроводимост се увеличава значително с повишаване на температурата. При ниски температури те се държат като диелектрици, а при високи температури се държат като проводници. Ето как полупроводниците се различават от металите: съпротивлението на метала нараства пропорционално на повишаването на температурата.

Друга разлика между полупроводника и метала е, че съпротивлението на полупроводника пада, когато е изложено на светлина, докато последното не засяга метала. Проводимостта на полупроводниците също се променя, когато се въведе малко количество примес.

Сред тях се срещат полупроводници химични съединенияс различни кристални структури. Това могат да бъдат елементи като силиций и селен или бинарни съединения като галиев арсенид. Много полиацетилен (CH) n, - полупроводникови материали. Някои полупроводници проявяват магнитни (Cd 1-x Mn x Te) или фероелектрични свойства (SbSI). Други, с достатъчно допинг, стават свръхпроводници (GeTe и SrTiO 3). Много от наскоро откритите високотемпературни свръхпроводници имат неметални полупроводникови фази. Например La 2 CuO 4 е полупроводник, но при образуване на сплав със Sr става свръхпроводник (La 1-x Sr x) 2 CuO 4.

Учебниците по физика определят полупроводника като материал с електрическо съпротивлениеот 10 -4 до 10 7 Ohm m. Възможна е и алтернативна дефиниция. Забранената зона на полупроводника е от 0 до 3 eV. Металите и полуметалите са материали с нулева енергетична празнина, а веществата, при които тя надвишава 3 eV, се наричат ​​изолатори. Има и изключения. Например, полупроводниковият диамант има ширина на забранената лента от 6 eV, полуизолиращият GaAs - 1,5 eV. GaN, материал за синята област, има забранена лента от 3,5 eV.

Енергийна празнина

Валентните орбитали на атомите в кристалната решетка се разделят на две групи енергийни нива - свободната зона, разположена на най-високото ниво и определяща електропроводимостта на полупроводниците, и валентната зона, разположена по-долу. Тези нива, в зависимост от симетрията на кристалната решетка и състава на атомите, могат да се пресичат или да се намират на разстояние едно от друго. В последния случай между зоните се появява енергийна празнина или, с други думи, забранена зона.

Местоположението и запълването на нивата определя свойствата на електропроводимостта на веществото. Въз основа на този критерий веществата се разделят на проводници, изолатори и полупроводници. Забранената зона на полупроводника варира между 0,01-3 eV, а забранената зона на диелектрика надвишава 3 eV. Металите нямат енергийни пропуски поради припокриването на нивата.

Полупроводниците и диелектриците, за разлика от металите, имат валентна зона, пълна с електрони, а най-близката свободна зона или зона на проводимост е отделена от валентната зона от енергийна празнина - област на забранени електронни енергии.

При диелектриците топлинната енергия или малкото електрическо поле не е достатъчно, за да направи скок през тази празнина; електроните не навлизат в зоната на проводимост. Те не могат да се движат по кристалната решетка и да станат носители на електрически ток.

За да започне електрическа проводимост, на електрон на валентно ниво трябва да се даде енергия, която би била достатъчна за преодоляване на енергийната празнина. Само чрез абсорбиране на количество енергия, не по-малко от размера на енергийната празнина, електронът ще се премести от нивото на валентност към нивото на проводимост.

Ако ширината на енергетичната празнина надвишава 4 eV, възбуждането на проводимостта на полупроводника чрез облъчване или нагряване е практически невъзможно - енергията на възбуждане на електроните при температурата на топене е недостатъчна, за да премине през зоната на енергийната празнина. При нагряване кристалът ще се стопи, докато се появи електронна проводимост. Такива вещества включват кварц (dE = 5,2 eV), диамант (dE = 5,1 eV) и много соли.

Примеси и собствена проводимост на полупроводниците

Чистите полупроводникови кристали имат своя собствена проводимост. Такива полупроводници се наричат ​​собствени полупроводници. Вътрешният полупроводник съдържа равен брой дупки и свободни електрони. При нагряване собствената проводимост на полупроводниците се увеличава. При постоянна температура възниква състояние на динамично равновесие в броя на образуваните двойки електрон-дупка и броя на рекомбиниращите електрони и дупки, които остават постоянни при дадени условия.

Наличието на примеси оказва значително влияние върху електрическата проводимост на полупроводниците. Добавянето им ви позволява значително да увеличите броя на свободните електрони с малък брой дупки и да увеличите броя на дупките с малък брой електрони на ниво проводимост. Примесните полупроводници са проводници с примесна проводимост.

Примесите, които лесно отдават електрони, се наричат ​​донорни примеси. Донорните примеси могат да бъдат химични елементи с атоми, чиито валентни нива съдържат повече електрони от атомите на основното вещество. Например, фосфорът и бисмутът са донорни примеси на силиций.

Енергията, необходима на един електрон да скочи в областта на проводимостта, се нарича енергия на активиране. Примесните полупроводници се нуждаят от много по-малко от него, отколкото основното вещество. При леко нагряване или осветяване се освобождават главно електроните на атомите на примесните полупроводници. Дупка заема мястото на електрона, който напуска атома. Но рекомбинацията на електрони в дупки практически не се случва. Проводимостта на дупката на донора е незначителна. Това се случва, защото малкият брой примесни атоми не позволява на свободните електрони често да се приближават до дупката и да я заемат. Електроните са разположени близо до дупки, но не са в състояние да ги запълнят поради недостатъчно ниво на енергия.

Леко добавяне на донорен примес увеличава броя на електроните на проводимостта с няколко порядъка в сравнение с броя на свободните електрони в естествения полупроводник. Електроните тук са основните носители на заряди на атоми на примесни полупроводници. Тези вещества се класифицират като n-тип полупроводници.

Примесите, които свързват електроните на полупроводника, увеличавайки броя на дупките в него, се наричат ​​акцепторни примеси. Акцепторните примеси са химични елементи с по-малко електрони на валентно ниво от базовия полупроводник. Бор, галий, индий са акцепторни примеси за силиций.

Характеристиките на полупроводника зависят от дефектите в неговата кристална структура. Това е причината за необходимостта от отглеждане на изключително чисти кристали. Параметрите на проводимостта на полупроводника се контролират чрез добавяне на добавки. Силициевите кристали са легирани с фосфор (елемент от подгрупа V), който е донор, за да се създаде n-тип силициев кристал. За да се получи кристал с дупкова проводимост, акцепторният бор се въвежда в силиций. По подобен начин се създават полупроводници с компенсирано ниво на Ферми, което го премества в средата на забранената зона.

Едноелементни полупроводници

Най-често срещаният полупроводник е, разбира се, силиций. Заедно с германия той стана прототип за широк клас полупроводници, които имат подобни кристални структури.

Кристалната структура на Si и Ge е същата като тази на диаманта и α-калая. В него всеки атом е заобиколен от 4 най-близки атома, които образуват тетраедър. Тази координация се нарича четворна координация. Тетрадричните свързани кристали са станали фундаментални за електронната индустрия и играят ключова роля в модерна технология. Някои елементи от V и VI група на периодичната таблица също са полупроводници. Примери за този тип полупроводници са фосфор (P), сяра (S), селен (Se) и телур (Te). В тези полупроводници атомите могат да имат тройна (P), двойна (S, Se, Te) или четирикратна координация. В резултат на това подобни елементи могат да съществуват в няколко различни кристални структури и също могат да бъдат произведени под формата на стъкло. Например, Se е отглеждан в моноклинни и тригонални кристални структури или като стъкло (което също може да се счита за полимер).

Диамантът има отлична топлопроводимост, отлична механична и оптични характеристики, висока механична якост. Ширината на енергийната празнина е dE = 5,47 eV.

Силицият е полупроводник, използван в захранван от слънчева енергия, а в аморфна форма - в тънкослойни слънчеви клетки. Това е най-използваният полупроводник във фотоволтаичните клетки, лесен е за производство и има добри електрически и механични свойства. dE = 1,12 eV.

Германият е полупроводник, използван в гама-спектроскопията и високоефективните фотоволтаични клетки. Използва се в първите диоди и транзистори. Изисква по-малко почистване от силикона. dE = 0,67 eV.

Селенът е полупроводник, който се използва в селенови токоизправители, които имат висока радиационна устойчивост и способност за самовъзстановяване.

Двуелементни връзки

Свойствата на полупроводниците, образувани от елементи от групи 3 и 4 на периодичната таблица, приличат на 4 групи. Преход от 4 група елементи към съединения от 3-4 група. прави връзките частично йонни поради прехвърлянето на електронен заряд от атома от група 3 към атома от група 4. Йонността променя свойствата на полупроводниците. Това е причината за увеличаването на кулоновото междуйонно взаимодействие и енергията на енергийния разрив в зонната структура на електроните. Пример за бинарно съединение от този тип е индиев антимонид InSb, галиев арсенид GaAs, галиев антимонид GaSb, индиев фосфид InP, алуминиев антимонид AlSb, галиев фосфид GaP.

Йонността се увеличава и нейната стойност нараства още повече в съединения на вещества от групи 2-6, като кадмиев селенид, цинков сулфид, кадмиев сулфид, кадмиев телурид, цинков селенид. В резултат на това повечето съединения от групи 2-6 имат ширина на забранената лента над 1 eV, с изключение на живачните съединения. Живачният телурид е полупроводник без енергийна празнина, полуметал, като α-калай.

Полупроводници от групи 2-6 с голяма енергийна празнина се използват в производството на лазери и дисплеи. Бинарни съединения от групи 2-6 с ограничена енергийна празнина са подходящи за инфрачервени приемници. Бинарните съединения на елементи от групи 1-7 (меден бромид CuBr, сребърен йодид AgI, меден хлорид CuCl) поради високата си йонност имат ширина на забранената зона над 3 eV. Те всъщност не са полупроводници, а изолатори. Увеличаването на кохезионната енергия на кристала, дължащо се на кулоновото интерионно взаимодействие, насърчава структурирането на атоми с шесткратна, а не квадратична координация. Съединенията от групи 4-6 - оловен сулфид и телурид, калаен сулфид - също са полупроводници. Степента на йонност на тези вещества също допринася за образуването на шесткратна координация. Значителната йонност не им пречи да имат много тесни пропускащи ленти, което им позволява да се използват за получаване на инфрачервено лъчение. Галиевият нитрид, съединение от 3-5 групи с широка енергийна междина, намери приложение в светодиоди, работещи в синята част на спектъра.

GaAs, галиев арсенид, е вторият най-популярен полупроводник след силиция, често използван като субстрат за други проводници, като GaInNAs и InGaAs, в инфрачервени светодиоди, високочестотни чипове и транзистори, високоефективни фотоволтаични клетки, лазерни диоди и детектори за ядрена радиация. dE = 1,43 eV, което прави възможно увеличаването на мощността на устройствата в сравнение със силиция. Той е крехък, съдържа повече примеси и е труден за производство.

ZnS, цинков сулфид, е цинкова сол на сероводород със забранена лента от 3,54 и 3,91 eV, използвана в лазери и като фосфор.

SnS, калаен сулфид - полупроводник, използван във фоторезистори и фотодиоди, dE= 1,3 и 10 eV.

Оксиди

Металните оксиди обикновено са отлични изолатори, но има и изключения. Примери за този тип полупроводници са никелов оксид, меден оксид, кобалтов оксид, меден диоксид, железен оксид, европиев оксид, цинков оксид. Тъй като медният диоксид съществува под формата на минерала куприт, неговите свойства са широко изследвани. Процедурата за отглеждане на този тип полупроводници все още не е напълно разбрана, така че използването им все още е ограничено. Изключение прави цинковият оксид (ZnO), съединение от групи 2-6, използвано като конвертор и в производството на самозалепващи ленти и лепила.

Ситуацията се промени драстично, след като беше открита свръхпроводимост в много съединения на медта с кислорода. Първият високотемпературен свръхпроводник, открит от Мюлер и Беднорц, е съединение на базата на полупроводника La 2 CuO 4 с енергийна празнина от 2 eV. Чрез замяната на тривалентния лантан с двувалентен барий или стронций в полупроводника се въвеждат дупкови носители на заряд. Постигането на необходимата концентрация на дупки превръща La 2 CuO 4 в свръхпроводник. IN дадено времеНай-високата температура на преход към свръхпроводящо състояние принадлежи на съединението HgBaCa 2 Cu 3 O 8. При високо кръвно наляганестойността му е 134 K.

ZnO, цинков оксид, се използва във варистори, сини светодиоди, газови сензори, биологични сензори, покрития на прозорци за отразяване на инфрачервена светлина, като проводник в LCD дисплеи и слънчеви клетки. dE=3,37 eV.

Слоести кристали

Бинарните съединения като оловен дийодид, галиев селенид и молибденов дисулфид се отличават със слоести сили, действащи в слоевете, много по-силни от ван дер Ваалсовите връзки между самите слоеве. Полупроводниците от този тип са интересни, защото електроните се държат квази-двуизмерно в слоевете. Взаимодействието на слоевете се променя чрез въвеждането на атоми на трети страни - интеркалация.

MoS 2, молибденовият дисулфид се използва във високочестотни детектори, токоизправители, мемристори, транзистори. dE=1,23 и 1,8 eV.

Органични полупроводници

Примери за полупроводници на базата на органични съединения са нафталин, полиацетилен (CH 2) n, антрацен, полидиацетилен, фталоцианиди, поливинилкарбазол. Органичните полупроводници имат предимство пред неорганичните: лесно им се придават желаните качества. Веществата със спрегнати връзки под формата -C=C-C= имат значителна оптична нелинейност и поради това се използват в оптоелектрониката. В допълнение, зоните на енергийна празнина на органичните полупроводници се променят чрез промяна на формулата на съединението, което е много по-лесно от това на конвенционалните полупроводници. Кристалните алотропи на въглерод, фулерен, графен и нанотръби също са полупроводници.

Фулеренът има структура под формата на изпъкнал затворен полиедър от четен брой въглеродни атоми. И допирането на фулерен C 60 с алкален метал го превръща в свръхпроводник.

Графенът се образува от моноатомен слой въглерод, свързан в двуизмерна шестоъгълна решетка. Има рекордна топлопроводимост и подвижност на електрони, висока твърдост

Нанотръбите са графитни плочи, навити в тръба с диаметър няколко нанометра. Тези форми на въглерод имат голямо обещание в наноелектрониката. В зависимост от адхезията, те могат да проявяват метални или полупроводникови качества.

Магнитни полупроводници

Съединения с магнитни йони на европий и манган имат интересни магнитни и полупроводникови свойства. Примери за полупроводници от този тип са европиев сулфид, европиев селенид и твърди разтвори като Cd 1-x-Mn x Te. Съдържанието на магнитни йони влияе върху това как магнитните свойства като антиферомагнетизъм и феромагнетизъм се проявяват във веществата. Полумагнитните полупроводници са твърди магнитни разтвори на полупроводници, които съдържат магнитни йони в малки концентрации. Такива твърди решения привличат вниманието поради обещанието и големия си потенциал. възможни приложения. Например, за разлика от немагнитните полупроводници, те могат да постигнат милион пъти по-голямо въртене на Фарадей.

Силните магнитооптични ефекти на магнитните полупроводници позволяват използването им за оптична модулация. Перовскитите като Mn 0,7 Ca 0,3 O 3 имат свойства, превъзхождащи прехода метал-полупроводник, чиято пряка зависимост от магнитното поле води до феномена на гигантско магнитосъпротивление. Използват се в радиотехниката и оптичните устройства, които се управляват магнитно поле, във вълноводи на микровълнови устройства.

Полупроводникови сегнетоелектрици

Този тип кристали се отличават с наличието на електрически моментии появата на спонтанна поляризация. Например, такива свойства притежават полупроводниците оловен титанат PbTiO 3 , бариев титанат BaTiO 3 , германиев телурид GeTe, калаен телурид SnTe, които при ниски температури имат сегнетоелектрични свойства. Тези материали се използват в нелинейни оптични устройства, устройства за съхранение и пиезоелектрични сензори.

Разнообразие от полупроводникови материали

Освен споменатите по-горе полупроводникови вещества, има много други, които не попадат в нито един от изброените типове. Съединения на елементи с формула 1-3-5 2 (AgGaS 2) и 2-4-5 2 (ZnSiP 2) образуват кристали в структурата на халкопирита. Връзките на съединенията са тетраедрични, подобни на полупроводниците от групи 3-5 и 2-6 с кристална структура от цинкова смес. Съединенията, които образуват елементите на полупроводниците от група 5 и 6 (като As 2 Se 3), са полупроводници под формата на кристал или стъкло. Халкогенидите на бисмут и антимон се използват в полупроводникови термоелектрически генератори. Свойствата на този тип полупроводници са изключително интересни, но не са придобили популярност поради ограничените си приложения. Но фактът, че те съществуват, потвърждава наличието на все още неизследвани области от физиката на полупроводниците.