Полупроводниками называются материалы, которые по своей электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Отсюда и название — полупроводник.
К современным полупроводниковым материалам относятся: германий Ge, кремний Si, арсенид галлия GaAs и др. Однако полупроводниковые приборы, широко распространенные в электронике, изготавливают в основном из кремния и германия, которые относятся к IV группе периодической таблицы Д.И. Менделеева, с примесями третьей (III) и пятой (V) групп: алюминия Al (III), бора B (III), индия In (III), мышьяка As (V), сурьмы Sb (V), фосфора P (V).
Электрические свойства твердых тел весьма разнообразны. Вначале такие свойства определялись только по их способности пропускать электрический ток.
Твердые вещества разделялись на две группы — проводники и изоляторы. Затем было замечено, что многие твердые вещества не могут относиться ни к проводникам (металлам), ни к изоляторам (диэлектрикам), занимая между ними промежуточное положение.
По количественной оценке электропроводности такие вещества назвали полупроводниками, то есть плохими проводниками. Хотя впоследствии выяснилось, что полупроводники отличаются от проводников и изоляторов не только электропроводностью, это название сохранилось за ними и стало общепринятым.
Итак, так как наряду с проводниками электричества в природе существует много веществ, обладающих значительно меньшей электропроводимостью, чем металлические проводники. Вещества подобного рода называются полупроводниками.
Полупроводниковые материалы как класс веществ находятся между диэлектриками и металлами. В 1 см3 полупроводника обычно содержится в 106 — 109 раз меньше электронов, чем в таком же объеме металла, и во столько же раз больше, чем в равнозначном объеме диэлектрика. Поэтому сопротивление полупроводника, хотя оно и намного меньше сопротивления диэлектрика, одновременно гораздо больше, чем сопротивление металла.
Существует еще одна особенность полупроводника, которую заметил в свое время Фарадей: с ростом температуры сопротивление полупроводника не растет, как это происходит в металлах, а уменьшается.
Несмотря на то что при росте температуры электроны чаще претерпевают соударения с другими электронами или с атомами решетки и скорость их движения в электрическом поле падает, наблюдается резкое увеличение концентрации свободных электронов (или электронов проводимости), так что плотность электрического тока в полупроводнике возрастает.
К полупроводникам относятся: некоторые химические элементы, например селен, кремний и германий, сернистые соединения, например сернистый таллий, сернистый кадмий, сернистое серебро, карбиды, например карборунд, углерод (алмаз), бор, серое олово, фосфор, сурьму, мышьяк, теллур, йод и ряд соединений, в состав которых входит хотя бы один из элементов 4 - 7-й групп системы Менделеева. Существуют также органические полупроводники.
Природа электрической проводимости полупроводника зависит от рода примесей, имеющихся в основном материале полупроводника, и от технологии изготовления его составных частей.
Полупроводник — вещество с электропроводностью 10-10 - 104 (ом х см)-1, находящееся по этим свойствам между проводником и изолятором. Различие между проводниками, полупроводниками и изоляторами по зонной теории заключается в следующем: в чистых полупроводниках и электронных изоляторах между заполненной зоной (валентной) и зоной проводимости находится запрещенная зона энергий.
История открытия и исследования полупроводников
Первые попытки применить полупроводники для выделения (детектирования, демодуляции) сигналов в радиотелеграфии и радиотелефонии были сделаны А. С. Поповым.
В 1900 — 1905 гг. ученые обратили внимание на детектирующие способности точечного контакта между кончиком металлической пружинки и кристаллами свинцового блеска (галенита), карбида кремния, кремния и теллура.
В 1926 г. Грондалем был создан медно-закисный (полупроводниковый) выпрямитель. В 30-х годах А. Ф. Иоффе начал широкие исследования свойств полупроводников, Я. И. Френкель объяснил механизм возбуждения в полупроводнике парных зарядов («электрон» и «дырка»).
В 1937 г. немецкие ученые Р. Хильш и Р. Поль обнаружили возможность управления током щелочно-галлоидных кристаллов, а в 1948 г. был создан первый точечный кристаллический триод для усиления колебании (Бардин и Браттейн). В 1949 г. Шокли заложил основы теории электронно-дырочного р—n-перехода. К концу 1952 г. были разработаны основные типы точечных и плоскостных транзисторов.
В течение последующих лет выполнено огромное количество исследований свойств полупроводников и достигнуты большие успехи в их практическом применении.
Почему полупроводники проводят ток
Полупроводник обладает электронной проводимостью, если в атомах его примеси внешние электроны относительно слабо связаны с ядрами этих атомов. Если в подобного рода полупроводнике создать электрическое поле, то под влиянием сил этого поля внешние электроны атомов примеси полупроводника покинут пределы своих атомов и превратятся в свободные электроны.
Свободные электроны создадут в полупроводнике электрический ток проводимости под влиянием сил электрического поля. Следовательно, природа электрического тока в полупрооводниках с электронной проводимостью та что и в металлических проводниках. Но так как свободных электронов в единице объема полупроводника во много раз меньше, чем в единице объема металлического проводника, то естественно, что при всех прочих одинаковых условиях ток в полупроводнике будет во много раз меньше, чем в металлическом проводнике.
Полупроводник обладает «дырочной» проводимостью, если атомы его примеси не только не отдают своих внешних электронов, но, наоборот, стремятся захватить электроны атомов основного вещества полупроводника. Если атом примеси отберет электрон у атома основного вещества, то в последнем образуется нечто вроде свободного места для электрона — «дырка».
Атом полупроводника, потерявший электрон, называют «электронной дыркой», или просто «дыркой». Если «дырка» заполняется электроном, перешедшим с соседнего атома, то она ликвидируется и атом становится нейтральным в электрическом отношении, а «дырка» смещается на соседний атом, потерявший электрон. Следовательно, если на полупроводник, обладающий «дырочной» проводимостью, воздействовать электрическим полем, то «электронные дырки» будут смещаться в направлении этого поля.
Смещение «электронных дырок» в направлении действия электрического поля аналогично перемещению положительных электрических зарядов в поле и, следовательно, представляет собой явление электрического тока в полупроводнике.
Полупроводники нельзя строго разграничивать по механизму их электрической проводимости, так как наряду с «дырочной» проводимостью данный полупроводник может в той или иной степени обладать и электронной проводимостью.
Полупроводники характеризуются:
-
типом проводимости (электронный — n-тип, дырочный — р-тип);
-
удельным сопротивлением;
-
временем жизни носителей заряда (неосновных) или диффузионной длиной, скоростью поверхностной рекомбинации;
-
плотностью дислокаций.
Температура оказывает существ, влияние на характеристики полупроводников. Повышение ее преимущественно приводит к уменьшению удельного сопротивления и наоборот, т. е. для полупроводников характерно наличие отрицательного температурного коэффициента сопротивления. Вблизи абсолютного нуля полупроводник становится изолятором.
Основой многих приборов служат полупроводники. В большинстве случаев они должны быть получены в виде монокристаллов. Для придания заданных свойств полупроводники легируют различными примесями. К чистоте исходных полупроводниковых материалов предъявляются повышенные требования.
Термообработка полупроводников
Термообработка полупроводника — нагревание и охлаждение полупроводника по заданной программе с целью изменения его электрофизических свойств.
Изменяются: кристаллическая модификация, плотность дислокаций, концентрация вакансий или дефектов структуры, тип проводимости, концентрация, подвижность и время жизни носителей заряда. Последние четыре, кроме того, могут быть связаны с взаимодействием примесей и дефектов структуры или с диффузией примесей в объеме кристаллов.
Нагревание образцов германия до температуры >550°С последующим быстрым охлаждением приводит к появлению термоакцепторов в концентрациях тем больших, чем выше температуpa. Последующий отжиг при той же температуре восстанавливает первоначальное удельное сопротивление.
Вероятный механизм этого явления: растворение в решетке германия меди, диффундирующей с поверхности или ранее осажденной на дислокациях. Медленный отжиг приводит к осаждению меди на структурных дефектах и уходу ее из решетки. Возможно также и возникновение новых дефектов структуры при быстром охлаждении. Оба эти механизма могут уменьшать время жизни, что и устанавливается экспериментально.
В кремнии при температурах 350 — 500° происходит образование термодоноров в концентрациях тем больших, чем больше кислорода растворено в кремнии при выращивании кристалла. При более высоких температурах термодоноры уничтожаются.
Нагревание до температурр в пределах 700 — 1300° резко уменьшает время жизни неосновных носителей заряда (при > 1000° определяющую роль играет диффузия примесей с поверхности). Нагрев кремния при 1000—1300° оказывает влияние на оптическое поглощение и рассеяние света.
Применение полупроводников
В современной технике полупроводники нашли самое широкое применение, они оказали очень сильное влияние на технический прогресс. Благодаря им удается значительно уменьшить вес и габариты электронных устройств. Развитие всех направлений электроники приводит к созданию и совершенствованию большого количества разнообразной аппаратуры на полупроводниковых приборах. Полупроводниковые приборы служат основой микроэлементов, микромодулей, твердых схем и т. д.
Электронные устройства на полупроводниковых приборах практически безинерционны. Тщательно выполненный и хорошо герметизированный полупроводниковый прибор может служить десятки тыс. часов. Однако некоторые полупроводниковые материалы имеют малый температурный предел (например, германий), но не очень сложная температурная компенсация или замена основного материала прибора другим (например, кремнием, карбидом кремния) в значительной, степени устраняет и этот недостаток. Совершенствование технологии изготовления полупроводниковых приборов приводит к уменьшению имеющихся еще разброса и нестабильности параметров.
Контакт полупроводник — металл и электронно-дырочный переход (n-р-переход), созданный в полупроводниках, используются при изготовлении полупроводниковых диодов. Двойные переходы (р-n-р или n-р-n) — транзисторов и тиристоров. Эти приборы в основном применяются для выпрямления, генерации и усиления электрических сигналов.
На основе фотоэлектрических свойств полупроводников создают фотосопротивления, фотодиоды и фототранзисторы. Полупроводник служит активной частью генераторов (усилителей) колебаний полупроводниковых лазеров. При пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов, что используется при создании светодиодов.
Термоэлектрические свойства полупроводников позволили создать термосопротивления полупроводниковые, термоэлементы полупроводниковые, термобатареи и термоэлектрические генераторы, а термоэлектрическое охлаждение полупроводников, на основе эффекта Пельтье, — термоэлектрические холодильники и термостабилизаторы.
Полупроводники используются в безмашинных преобразователях тепловой и солнечной энергии в электрическую — термоэлектрических генераторах, и фотоэлектрических преобразователях (солнечных батареях).
Механическое напряжение, приложенное к полупроводнику, изменяет его электрическое сопротивление (эффект сильнее, чем в металлах), что явилось основой тензометра полупроводникового.
Полупроводниковые приборы получили широкое распространение в мировой практике, революционно преобразуя электронику, они служат основой при разработке и производстве:
-
измерительной техники, компьютеров,
-
аппаратуры для всех видов связи и транспорта,
-
для автоматизации процессов в промышленности,
-
устройств для научных исследований,
-
ракетной техники,
-
медицинской аппаратуры
-
других электронных устройств и приборов.
Применение полупроводниковых приборов позволяет создавать новую аппаратуру и совершенствовать старую, приводит к значит, уменьшению ее габаритов, веса, потребляемых мощностей, а значит, уменьшению выделения тепла в схеме, к увеличению прочности, к немедленной готовности к действию, позволяет увеличить срок службы и надежность электронных устройств.