Informații generale și clasificarea semiconductorilor
SECȚIUNEA 3. MATERIALE DE SEMICONDUCTOR (prelegeri 4-5) 4 ore
3.1.1 Teoria benzilor de semiconductori
Majoritatea semiconductorilor sunt corpuri solide cu o structură cristalină obișnuită, adică cristale unice. Grinzile lor de cristal constau dintr-un set de celule repetate și adiacente având anumite forme și dimensiuni. Când interacțiunea unui număr mare de atomi care constituie cristal, nivelurile de energie de electroni sunt împărțite în niveluri distanțe apropiate - „banda de energie“ - zonă și valorile permise ale energiilor zonei energetice interzise.
Diferența dintre dielectrici și semiconductori, din punctul de vedere al teoriei benzii, constă în lățimea benzii interzise: dacă lățimea benzii interzise # 916; W0 = 0,05-3 eV - material semiconductor, dacă valoarea este mai mare de 3 eV - atunci materialul este dielectric.
3.1.2 Proprietățile și caracteristicile de bază ale materialelor semiconductoare
În ceea ce privește rezistivitatea, semiconductorii ocupă o poziție intermediară între conductori și dielectrici. Se află în interiorul lor în intervalul 10 -6 - 10 9 Ohm * cm.
Semiconductorii au un număr de proprietăți caracteristice numai ele, care diferă brusc de conductori:
- Într-o gamă largă de temperaturi, rezistivitatea lor specifică scade, adică au un coeficient de temperatură negativ de rezistivitate;
- când o cantitate neglijabilă de impurități este introdusă în semiconductor, rezistivitatea lor se schimbă brusc;
- o caracteristică caracteristică a unui semiconductor este că conductivitatea sa electrică este activată, adică cauzate de influența factorilor externi - lumină, radiații nucleare, câmpuri electrice și magnetice, presiune etc.
Proprietățile semiconductoare au o varietate de materiale - naturale și sintetice, organice și anorganice, simple și complexe în compoziția chimică.
Semiconductori proprii și impurități. Tipuri de impurități
La fel ca în metale, curentul electric din semiconductori este legat de derivarea încărcăturilor de încărcare. Apariția purtătorilor de sarcină în semiconductori este determinată de un număr de factori, dintre care cei mai importanți sunt puritatea materialului și temperatura. În funcție de gradul de puritate, semiconductorii sunt împărțiți în cele intrinseci și impuritate.
Un semiconductor în care un număr egal de electroni și găuri libere se formează ca urmare a ruperii legăturilor este numit corect. În cristalul unui conductor intrinsec, fiecare electron din banda de conducere corespunde unei găuri rămase în banda de valență. În acest caz, electronul liber are o energie mai mare decât cea pe care o avea în stare legată, cu o cantitate nu mai mică decât energia lățimii benzii interzise.
Când se aplică un câmp electric extern pe cristal, electronii liberi se vor deplasa pe câmp (din cauza încărcării negative) și găurile în direcția câmpului. Dar electronii, deși se deplasează în direcția opusă, creează un curent normal care coincide cu câmpul extern aplicat. În consecință, curenții de electroni și gauri curg în aceeași direcție și, prin urmare, sunt pliate.
Pentru majoritatea dispozitivelor semiconductoare sunt utilizate semiconductoare cu impurități.
Un semiconductor cu impurități se numește impuritate, iar conductivitatea creată de impuritatea introdusă se numește conductibilitate a impurităților.
În cazul în care un semiconductor grupa IV (siliciu și germaniu) pentru a introduce un element din grupa V a tabelului periodic, cum ar fi arsenic, atomul de impuritate pentru a completa legături covalente cu atomii de substanță de bază trebuie patru electroni de valență. Al cincilea electron al atomului de impuritate nu participă la legătura covalentă. Cu atomul său, este legat de forța interacțiunii Coulomb. Energia acestei legături este mică - aproximativ o sutime de electron-volt. Astfel, atât la energia termică temperatura camerei ≈0,03 eV, este clar că, la această temperatură va fi ionizați atomii de impuritate arsenic datorită separării cincilea electron de valență, care devine liber. Împreună cu ionizarea impurității, poate să apară și ionizarea atomilor substanței de bază. Cu toate acestea, la temperaturi sub cea la care există o conductivitate intrinsecă semnificativă, numărul de electroni detașate de impuritățile vor fi mult mai mare decât numărul de electroni și găuri generate din cauza ruperii legăturilor covalente. Având în vedere acest rol dominant în conductivitatea cristalului va juca electronii, și, prin urmare, ele sunt numite purtători majoritari și găurile - minoritatea. Un astfel de semiconductor se numește electron sau tip n. iar impuritatea care dă electronii se numește impuritatea donatorului.
Din energie diagrame de semiconductori de electroni și gaura se poate observa că donor și acceptor nivelurile Wd Wa situate în decalajul banda: Niveluri Wd - in apropiere de partea de jos a benzii de conducție, precum și nivelurile Wa - în partea de sus a benzii de valență. Detașarea unui electron în exces de la donator sau adăugarea electronului lipsă la acceptor necesită cheltuiala energiei de ionizare Wion.
3.1.4 Clasificarea semiconductorilor (simple, compuși chimici, complexe)
Prin semiconductori simpli includ germaniu, siliciu, seleniu, telur, bor, carbon, fosfor, sulf, antimoniu, arsenic, staniu gri, iod.
De asemenea, semiconductorii sunt compuși:
Triplă: CuFeS2. CuAlS2 și altele asemenea.
Soluții solide: GeSi, etc.
Semiconductorii organici includ ftalocianina, naftalina și altele.
3.2.1 Conductivitatea intrinsecă și impuritatea semiconductorilor
În absența unui câmp extern, electroni liberi și găuri sunt într-o stare de echilibru, și să se angajeze (la temperatura T ≠ 0 K) mișcare aleatorie în cea mai mare parte din materiale semiconductoare, viteza medie termică purtători v este mare (de exemplu, la T = 300 K, viteza v = May 10 m / s ).
Electroni și găuri experiență împrăștiere, adică schimba direcția și viteza mișcării lor în coliziuni cu nodurile rețelei cristaline, defectele de zăbrele și atomii de impurități. Ca urmare a împrăștierii lor, distribuția lor de echilibru este stabilită, cu viteza medie de transport v = 0 în orice direcție.
Când un câmp electric este aplicat unui semiconductor, viteza medie de mișcare a suporturilor de încărcare devine diferită de zero în direcția determinată de direcția intensității câmpului electric E; se numește viteza de deviație. Mișcarea purtătoarelor de încărcătură sub influența unui câmp electric se numește derivație.