Классификация полупроводников.

Классификация полупроводников.

П/п можно классифицировать по различным признакам.

А) По химическому составу:

1) Простые:

III группа: Ga-галлий, B-бор, In-индий;

IV группа: Ge, Si, С- углерод и его модификации;

V группа: P-фосфор, As-мышьяк – латинское название Arsenicum; Sb-сурьма - латинское название двойное: Stibium или Аntimonium;

VI группа: S-сера, Se-селен, Te-теллур;

VII группа: I- йод.

2) Бинарные – химические соединения типа Aⁿ B^m , где А, В – химические элементы; n, m - № группы в таблице Менделеева.

3) Сложные химические соединения трех и более химических элементов.

Б) По количеству примесей:

1) Собственные, имеющие собственную проводимость за счет генерации электронно-дырочных пар.

2) Примесные, имеющие собственную проводимость за счет участия примесей в генерации электронно-дырочных пар.

3) Компенсированные: (одна примесь вводится для компенсации действия другой)

4) Вырожденные - по свойствам приближающиеся к металлам из-за высокой концентрации примесей.

Основные: Si, Ge, GaAs(арсенид галлия).

В настоящее время помимо кристаллических п/п материалов изучаются аморфные - стеклообразные и жидкие полупроводники.

Электронно-дырочный переход

P-n-переход возникает в монокристалле имеющей две области с разным типом проводимости.

Полупроводники n- типа – основные носители ē, неосновные – дырки.

Полупроводники p-типа – основные носители дырки, неосновные –ē.

Концентрация неосновных носителей очень мала, следовательно, их не рассматривают.

a. p-n переход в свободном состоянии

Рис. 5

свободные электроны мигрируют в р-область, свободные дырки мигрируют в n-область, следовательно, на границе возникает поле диффузии E_диф из двойного слоя зарядов, т.е. возникает запирающий слой шириной d (несколько мкм).

Запирающий слой обеднен свободными носителями зарядов и обладает сопротивлением во много раз больше основной части проводника.

b. P-n переход в открытом состояние

Рис.6.

Внешнее электрическое поле направлено встречно полю диффузии основные носители заряда переходят через p-n переход и рекомбинируют. Через p-n переход проходит прямой ток. Переход открыт. Потенциальный барьер узкий.

c. p-n переход «заперт»

Рис.7.

Переход (потенциальный барьер) «расширяется» его могут пересечь только неосновные носители заряда (они обуславливают обратный ток I обр.)

Рис.8.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода (р-n перехода)

 

SiC- карбид кремния

ΔЭ = (2,8…3,1)эВ

В природе это муассанит - редкий минерал стехиометрический состав которого содержит 70%Si и 30%C получается восстановлением из диоксида Si(SiO₂) кварцевого песка углеродом

После размола получается порошок с зубчатыми зернами различной величины (40…300мкм)

Электропроводность порошка SiC зависит:

· От проводимости γ зерен исходного материала

· От крупности помола (при увеличении зерна, проводимость уменьшается)

 

Рис.17.

· Степени сжатия частиц

· Напряженности Е электрического поля

· Температуры t°C среды

Вследствие всех этих факторов проводимость носит нелинейный характер, это используется в варисторах.

Рис.18.

0 до V₁ – ток идет через запирающие слои на контактирующих поверхностях зерен.

V₁ до V₂ - пробиваются оксидные пленки

V₂ до V₃ – микро нагрев контактов между отдельными зернами карбида кремния (появление дополнительных носителей заряда)

Эквивалентная схема варистора имеет вид

Рис.19.

В реальном варисторе таких параллельных цепочек очень много, следовательно, ВАХ – не ломаная, а плавная кривая.

Наряду с варисторами карбид кремния используется в вентильных разрядниках.

Рис.20.

Связующим веществом, скрепляющим зерна SiC, могут быть глины – такой материал называется тирит, если связующее вещество – жидкое стекло, то материал – вилит.

Арсенид галлия(GaAs)

Один из самых перспективных: ΔЭ=1,43 эВ это больше, чем у Si и Ge

Акцепторами могут быть Zn, Cu, Cd;

Донорами S,Se;

T_пл=1826°С;

Полупроводниковые приборы из GaAs превосходят по быстродействию приборы из (Si и Ge), благодаря большей подвижности электронов, а по рабочей t°C (до 450°C) даже Si.

Использование: дозиметры рентгеновского излучения, полупроводниковые лазеры, изготовление полевых транзисторов с барьерами Шоттки, генераторы Ганна – очень выгоден в оптоэлектронике (фото-, светодиоды, солнечные батареи)

Недостатки: токсичность, дороговизна.

Антимонид индия (InSb)

T_пл=1070°С

Самая высокая подвижность электронов и дырок, следовательно, самое высокое быстродействие. Ширина запрещенной зоны мала. ΔЭ=0,18 эВ. Даже при t = 20°С существует собственная проводимость.

Ярко выраженная фотопроводимость. Охватывает широкую область инфракрасного спектра, доходя до λ=8 мкм (I_фmax →6.7 мкм)

Применение: фотоэлементы высокой чувствительности, датчики Холла, термоэлектрические генераторы и холодильники.

Бинарные полупроводники используются для изготовления светодиодов.

Фосфид галлия(GaP)

Большая ΔЭ=2,3 эВ

Используется для светодиодов с красным и зеленым свечением.

Сложные полупроводники.

Сложные полупроводники вида , где А,В – III группа (Ga, Al,In),, С – V группа (P,As)

(Ga_xAl_1-xAs) Известные давно, но не удается добиться повторяемости свойств.

 

ΔЭ и ξ очень сильно зависят от х

– термоэлектроника

Пьезоэлектрический эффект

Открыт в 1880 году в диэлектрическом монокристалле кварца. В 1970-х обнаружен в тонких полупроводниковых монокристаллических пленках сложного состава. Прямой пьезоэлектрический эффект под силовым механическим воздействием на гранях монокристалла появляется Δφ. Обратный пьезоэлектрический эффект – в изменение размеров монокристаллов при приложении к граням Δφ используется в приборах акустоэлектроники.

 

 

Оптические эффекты

Существуют в полупроводниках при взаимодействии ЭМ излучения оптического диапазона (инфракрасные, видимые, ультрафиолетовые) с электронами вещества.

Фотоэффект – изменение электрических свойств вещества под действием электромагнитного, рентгеновского и других излучений.

При облучении полупроводников электромагнитным полем с энергией фотонов ( -постоянная Планка) Может произойти: поглощение энергии веществом, пропускание, преломление, отражение электромагнитным ЭМ волны.

При поглощении происходит ионизация атомов полупроводника

В зависимости от в полупроводниках будет происходить ионизация собственных атомов полупроводника, когда

(видимое и ближнее инфракрасное излучение) или примесных атомов

(низкочастотные колебания ближнего инфракрасного излучения)

Ионизация сопровождается переходом электронов в зону проводимости.

Эффект фотопроводимости (внутренний фотоэффект) используется в фоторезисторах.

В фотодиодах, использующих p-n переход, может происходить генерация пар электрон-дырка и появление заряда на границе раздела областей с различным типом проводимости, следовательно, возникает фотоэдс

Это фотогальванический эффект. Применение: фотоэлементы, источники питания слаботочных сигналов

Наряду с генерацией пар ē-p может произойти и рекомбинация.

При рекомбинации электроны переходят на более низкий энергетический уровень с выделением энергии. Энергия передается кристаллический решетки и излучается – внешний фотоэффект.

Используются для создания: лазеров, светодиодов, люминесцентного свечения, элементов оптоэлектроники.

Арсенид галлия GaAs, антимонид индия InSb, карбид кремния SiC.

Лазеры – оптический квантовый генератор, преобразующий различные виды энергии в энергию интенсивных узконаправленных пучков ЭМ излучения оптического диапазона.

Оптоэлектроника – раздел электроники, в котором используются эффекты взаимодействия ЭМ излучения оптического диапазона f с электронами полупроводника для передачи, обработки, хранения и отображения информации. ЭМ волна имеет характеристики: амплитуда, f, плотность поляризации, направление, распространение.

Люминесценция – нетепловое излучение полупроводников, длительностью больше периода световых колебаний. Это особый вид свечения, который может вызываться разными видами воздействия. Вещества – люминофоры. Используется для преобразования невидимого ЭМ излучения в видимое. Применение: электронно-лучевые трубки, электронные микроскопы, элементы оптроники, светевые краски.

Классификация полупроводников.

П/п можно классифицировать по различным признакам.

А) По химическому составу:

1) Простые:

III группа: Ga-галлий, B-бор, In-индий;

IV группа: Ge, Si, С- углерод и его модификации;

V группа: P-фосфор, As-мышьяк – латинское название Arsenicum; Sb-сурьма - латинское название двойное: Stibium или Аntimonium;

VI группа: S-сера, Se-селен, Te-теллур;

VII группа: I- йод.

2) Бинарные – химические соединения типа Aⁿ B^m , где А, В – химические элементы; n, m - № группы в таблице Менделеева.

3) Сложные химические соединения трех и более химических элементов.

Б) По количеству примесей:

1) Собственные, имеющие собственную проводимость за счет генерации электронно-дырочных пар.

2) Примесные, имеющие собственную проводимость за счет участия примесей в генерации электронно-дырочных пар.

3) Компенсированные: (одна примесь вводится для компенсации действия другой)

4) Вырожденные - по свойствам приближающиеся к металлам из-за высокой концентрации примесей.

Основные: Si, Ge, GaAs(арсенид галлия).

В настоящее время помимо кристаллических п/п материалов изучаются аморфные - стеклообразные и жидкие полупроводники.