Полупроводник

Полупроводник - материал, электропроводность которого имеет промежуточное значение между проводимости проводника и диэлектрика. Отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения. Основным свойством этих материалов является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.

Полупроводниками являются вещества, ширина запрещенной зоны которых составляет порядка нескольких электронвольт (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонних полупроводников, а арсенид индия - до узкозонных. К числу полупроводников относятся многие простых веществ химических элементов ( германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.), огромное количество сплавов и химических соединений ( арсенид галлия и др..).

В зависимости от того, отдает примесный атом электрон или захватывает его, его называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом решетки она замещает, в которую кристаллографическую плоскость встраивается.

Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи абсолютного нуля температуры полупроводники обладают свойства диэлектриков.

1. Физические свойства

Характерная особенность полупроводников - рост электропроводности с ростом температуры, при низких температурах электропроводность мала. При температуре близкой к абсолютного нуля полупроводники обладают свойствами изоляторов. Кремний, например, при низкой температуре плохо проводит электрический ток, но под влиянием света, тепла или напряжения электропроводность возрастает.

2. Зонная структура

Зонная структура полупроводника

Полупроводники обладают полностью заполненную валентную зону, отделенную от зоны проводимости неширокой запрещенной зоной. Ширина запрещенной зоны полупроводников обычно меньше за 3 эВ. Неширокая запретная зона приводит к тому, что при повышении температуры вероятность возбуждения электрона в зону проводимости возрастает при экспоненциальному закону. Именно этим фактом обусловлено увеличение электропроводности собственных полупроводников.

Еще больше на электропроводность полупроводников влияют примеси - доноры и акцепторы. Благодаря достаточно большой диэлектрической проницаемости примесные уровни в запрещенной зоне расположены очень близко к зоне проводимости или в валентной зоны (<0.5 эВ), и легко ионизируются, отдавая электроны в зону проводимости или забирая их из валентной зоны. Легированные полупроводники имеют значительную электропроводность.

Небольшая ширина запрещенной зоны также способствует фотопроводимости полупроводников.

В зависимости от концентрации примесей полупроводники делятся на собственные (без примесей), n-типа ( доноры), p-типа ( акцепторы) и компенсированные (концентрация доноров уравновешивает концентрацию акцепторов, и полупроводник ведет себя как собственный). При очень высокой концентрации примесей полупроводник становится вырожденным и ведет себя, как металл.

В полупроводниковых приборах используются уникальные свойства контакта областей полупроводника, одна из которых относится к n-типа, другая к p-типа - так называемых pn переходов. p-п переходы проводят ток только в одном направлении. Похожие свойства имеют также контакты между полупроводниками и металлами - контакты Шоттки.

3. Оптические свойства полупроводников

3.1. Поглощение света

Поглощение света полупроводниками обусловлено переходами между энергетическими состояниями зонной структуры. Учитывая принцип исключения Паули электроны могут переходить только из заполненного энергетического состояния в незаполненный. В собственном полупроводнике все состояния валентной зоны заполнены, а все состояния зоны проводимости незаполненные, поэтому переходы возможны только из валентной зоны в зону проводимости. Для осуществления такого перехода электрон должен получить от света энергию, не меньшую ширину запрещенной зоны. Фотоны с меньшей энергией не вызывают переходов между электронными состояниями полупроводника, поэтому полупроводники прозрачны в области частот , Где - Ширина запрещенной зоны, - возведена постоянная Планка. Эта частота определяет фундаментальный край поглощения для полупроводника. Для полупроводников, которые чаще всего применяются в электронике ( кремния, германия, арсенида галлия) она лежит в инфракрасной области спектра.

Дополнительные ограничения на поглощение света полупроводниками накладывают правила отбора, в частности закон сохранения импульса. Закон сохранения импульса требует, чтобы квази-импульс конечного состояния отличался от квази-импульса начального состояния на величину импульса поглощенного фотона. Волновое число фотона , Где - Длина волны, очень мало по сравнению с вектором обратной решетки полупроводника, или, что то же самое, длина волны фотона в видимой области намного больше характерную межатомное расстояние в полупроводнике, что приводит к требованию, чтобы квази-импульс конечного состояния при электронном переходе практически равен квази-импульса начального состояния. При частотах близких к фундаментальному края поглощения это возможно лишь для прямозонних полупроводников. Оптические переходы в полупроводниках, при которых импульс электрона почти не меняется называются прямыми или вертикальными. Импульс конечного состояния может значительно отличаться от импульса начального состояния, если в процессе поглощения фотона участвует еще другая, третья частица, например, фонон. Такие переходы тоже возможны, хотя и менее вероятны. Они называются косвенными переходами.

Таким образом, прямозонни полупроводники, например, арсенид галлия начинают сильно поглощать свет, когда энергия его кванта превышает ширину запрещенной зоны. Такие полупроводники очень удобны для использования в оптоэлектронике.

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

При переходе электрона из валентной зоны в зону проводимости в полупроводнике возникают свободные носители заряда, а следовательно фотопроводимость.

При частотах, ниже край фундаментального поглощения, возможно поглощение света, связанное с возбуждением экситонов, присутствием примесей и поглощением фононов. Экситонные зоны расположены в полупроводнике несколько ниже дна зоны проводимости благодаря энергии связи экситона. Экситонные спектры поглощения имеют воднеподибну структуру. Аналогичным образом примеси, акцепторы или доноры, создают акцепторные или донорные уровни, лежащие в запрещенной зоне. Они значительно модифицируют спектр поглощения легированного полупроводника. Если при косвенном переходе одновременно с квантом света поглощается фонон, то энергия поглощенного светового кванта может быть меньше на величину энергии фонона, что приводит к поглощению на частотах несколько меньших фундаментального края.

4. Типы полупроводников в периодической системе элементов

Неорганические полупроводники разделяют на типы:

• Одноэлементные полупроводники IV группы периодической системы элементов. По современной химической классификации эта группа называется группа 14 периодической системы элементов, но в физике принято использовать старую терминологию.
• Сложные: двухэлементной A ^III B ^V и A ^II B ^VI с третьей и пятой группы, и со второй и шестой группы элементов соответственно.

Все типы неорганических полупроводников имеют интересную зависимость ширины запрещенной зоны от периода, а именно - с увеличением периода ширина запрещенной зоны уменьшается.

5. Использование

Кремний чаще всего используется в диодах, светодиодах, транзисторах, выпрямителях и интегральных схемах ( чипах), солнечных элементах. Кроме кремния широко используются арсенид галлия, арсенид алюминия, германий и многие другие. В последние годы все популярнее органические полупроводники, которые применяются, например, в копировальной технике.

См.. также

• Полупроводник n-типа
• Полупроводник p-типа
• Полуметалл (спинтроника)

Источники

• Ансельм А.И. Введение в физику полупроводников.. - Москва: Наука., 1978.
• Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. - Москва: Наука., 1977.
• Курносов А.И. Материалы для полупроводниковых приборов и интегральных схем. - Москва: Высшая школа, 1980.

• Питер Ю, Мануэль Кардона Основы физики полупроводников. - Москва: Физматлит, 2002.

Это незавершенная статья по физики. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив ее.

Это незавершенная статья о электронику. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив ее.