Надо Знать![]() | ПолупроводникПлан:
ВведениеПолупроводник - 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 свойстваХарактерная 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 структураПолупроводники 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 полупроводников3.1. 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 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 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 элементовНеорганические полупроводники разделяют на типы:
Все типы неорганических полупроводников имеют интересную зависимость ширины запрещенной зоны от периода, а именно - с увеличением периода ширина запрещенной зоны уменьшается.
5. ИспользованиеКремний 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.. такжеИсточники
код для вставки Данный текст может содержать ошибки. скачать |