Полупроводники

      Полупроводники

      Полупроводник — материал, электрические свойства которого в сильной степени зависят от концентрации в нём химических примесей и внешних условий (температура, излучение и пр.).

      Полупроводники – вещества, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения. Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет 0-3 электрон-вольта, например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а InAs к узкозонным.В зависимости от того, отдаёт ли примесь электрон или захватывает электрон, примесь называют донорной или акцепторной. Свойство примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.

      Физические свойства и применения

      Прежде  всего следует сказать, что физические свойства полупроводников наиболее изучены по сравнению с металлами и диэлектриками. В немалой степени этому способствует огромное количество эффектов, которые не могут быть наблюдаемы ни в тех ни в других веществах, прежде всего связанные с устройством зонной структуры полупроводников, и наличием достаточно узкой запрещённой зоны. Конечно же основным стимулом для изучения полупроводников является технология производства интегральных микросхем - это в первую очередь относится к кремнию, но затрагивает другие соединения (Ge, GaAs, InSb) как возможные заменители.

      Кремний — непрямозонный полупроводник, поэтому очень трудно заставить его работать в оптических устройствах, и здесь вне конкуренции соединения типа A^IIIB^V, среди которых можно выделить GaAs, GaN, которые используются в светодиодах.Собственный полупроводник при абсолютном нуле температуры не имеет свободных носителей в зоне проводимости в отличие от проводников и ведёт себя как диэлектрик. При легировании ситуация может поменяться. См. вырожденные полупроводники.В связи с тем, что технологи могут получать очень чистые вещества встаёт вопрос об новом эталоне для числа Авогадро.

     Строение  полупроводников  и принцип их действия.

     Как было уже сказано, полупроводники представляют собой особый класс кристаллов. Валентные  электроны образуют правильные ковалентные связи, схематически представленные на рис.1 . Такой идеальный полупроводник совершенно не проводит электрического тока (при отсутствии освещения и радиационного облучения) .

     Так же как и в непроводниках электроны  в полупроводниках связаны с атомами, однако данная связь очень непрочная. При повышении температуры 
( T>0 K) ,освещении или облучении электронные связи могут разрываться, что приведет к отрыву электрона от атома (рис. 2). Такой электрон является носителем тока. Чем выше температура полупроводника, тем выше концентрация электронов проводимости, следовательно, тем меньше удельное сопротивление. 
Таким образом, уменьшение сопротивления полупроводников при нагревании обусловлено увеличением концентрации носителей тока в нем.

     В отличии от проводников носителями тока в полупроводниковых веществах могут быть не только электроны , но и «дырки» . При потере электрона одним из атомов полупроводника на его орбите остается пустое место-«дырка» при воздействии электрическим поле на кристалл «дырка » как положительный заряд перемещается в сторону вектора E, что фактически происходит благодаря разрыву одних связей и восстановление других. «Дырку» условно можно считать частицей , несущей положительный заряд. 
 

      Примесная проводимость полупроводников 

      Примесная проводимость возникает, если некоторые  атомы данного плупроводника  заменить в узлах кристалической решетки атомами, валентность которых отличается на единицу от валентности основных атомо. Дле образования ковалентных связей с соседями атому фосфора достаточно четырех електронов. Следовательно, пятый валентный електрон оказывается как бы лишним и легко отщепляется от атома за счет энергии теплового движения, образуя странствующий свободный электрон. Образование свободного электрона не сопровождается нарушением ковалентных связей, т. е. образованием дырки. Хотя в окрестности атома примеси возникает избыточный положительный заряд, но он связан с этим атомом и перемещаться по решетке не может. Благодаря этому заряду атом примеси атом примеси может захватывать приблизевшийся к нему электрон, но связь захваченного электрона с атомом будет непрочной и легко нарушается вновь за счет тепловых колебаний  решетки.

      Таким образом, в полупроводнике с примесью, валентность которой на единицу  больше валентности основных атомов, имеется только один вид носителей  тока – электроны. Соответственно говорят, что такой полупроводник обладает электронной проводимостью или является полупроводником n-типа. Атомы примеси, поставляющие электроны называются донорами.

      Рассмотрим  случай, когда валентность примеси  на единицу меньше валентности основных атомов. Трех валентных электронов атома бора не достаточно для образований  связей со всеми четырьмя соседями. Поэтому одна из связей окажется не укомплектованой и будет представлять собой место способное захватить электрон. При переходе на это место электрона одной из соседних пар возникнет дырка, которая будет кочевать по кристалу. Вблизи атома примеси возникнет избыточный отрицательный заряд, но он будет связан с данным атомом и не может стать носителем тока. Таким образом, в полупроводнике с примесью, валентностью которой на единицу меньше валентности основных атомов, возникают носители тока только одного вида – дырки. Проводимость в этом слычае называется дырочной, а о полупроводнике говорят, что он пренадлижит к р-типу. Примеси, вызывающие возникновение дырок, называются акцепторными.

      Примеси искажают поле решетки, что приводит к возникновению на энергетической схеме примесных уровней, расположеных в зоне кристалла. В случае полупроводников  n-типа примесные уровни называюся донорными, а в случае полупроводников р-типа акцепторными.