Полупроводник

Полупроводни́к —

.

Полупроводниками являются кристаллические вещества,

, и др.).

Атом другого химического элемента в чистой кристаллической решётке (например,

она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.

.

В

. Позднее такие вещества назовут «полупроводниками».

В 1820—1900 годы, большой вклад в исследование различных свойств кристаллов внесла

-полупроводник.

Механизм электрической проводимости

Полупроводники характеризуются свойствами как проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в кристалле кремния связан двумя атомами) и электронам необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома (1,76⋅10⁻¹⁹ Дж против 11,2⋅10⁻¹⁹ Дж, чем и характеризуется отличие между полупроводниками и диэлектриками). Эта энергия появляется в них при повышении температуры (например, при комнатной температуре уровень энергии теплового движения атомов равняется 0,04⋅10⁻¹⁹ Дж), и отдельные электроны получают энергию для отрыва от ядра. С ростом температуры число свободных электронов и дырок увеличивается, поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное электрическое сопротивление уменьшается. Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией связи электронов меньшей, чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Это обуславливает переход электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешёл электрон, входит другой электрон из другого атома и т. д. Этот процесс обуславливается ковалентными связями атомов. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда без перемещения самого атома. Этот условный положительный заряд называют дыркой.

Обычно подвижность дырок в полупроводнике ниже подвижности электронов.

Между зоной проводимости Е_п и валентной зоной Е_в расположена

возрастает.

Подвижностью ${\displaystyle \mu }$ называют коэффициент пропорциональности между дрейфовой скоростью ${\displaystyle {\vec {v}}}$ носителей тока и величиной приложенного электрического поля ${\displaystyle {\vec {E}}:}$

${\displaystyle {\vec {v}}=\mu {\vec {E}}.}$

При этом, вообще говоря, в анизотропных кристаллах подвижность является тензором с компонентами ${\displaystyle \mu _{\alpha \beta }:}$

${\displaystyle \ v_{\alpha }=\mu _{\alpha \beta }E_{\beta }.}$

Подвижность

столкновения между ними вырастает, что приводит к уменьшению подвижности, но несмотря на снижение подвижности проводимость увеличивается при повышении степени легирования, так как снижение подвижности компенсируется увеличением концентрации носителей заряда.

Размерность подвижности — м²/(В·с) в СИ или см/(В·с)в системе СГС.

При термодинамическом равновесии концентрация электронов полупроводника связана с температурой следующим соотношением:

${\displaystyle {\bar {n}}={\frac {2}{h^{3}}}(2\pi mkT)^{3/2}e^{-{\frac {E_{C}-E_{F}}{kT}}}}$

где:

${\displaystyle h}$ — постоянная Планка;

${\displaystyle m}$ — масса электрона;

${\displaystyle T}$ —

абсолютная температура

;

${\displaystyle E_{C}}$ — уровень зоны проводимости;

${\displaystyle E_{F}}$ — уровень Ферми.

Также, концентрация дырок полупроводника связана с температурой следующим соотношением:

${\displaystyle {\bar {p}}={\frac {2}{h^{3}}}(2\pi mkT)^{3/2}e^{-{\frac {E_{F}-E_{V}}{kT}}}}$

где:

${\displaystyle h}$ — постоянная Планка.

${\displaystyle m}$ — эффективная масса дырки;

${\displaystyle T}$ —

абсолютная температура

;

${\displaystyle E_{F}}$ — уровень Ферми;

${\displaystyle E_{V}}$ — уровень валентной зоны.

Собственная концентрация ${\displaystyle n_{i}}$ связана с ${\displaystyle {\bar {n}}}$ и ${\displaystyle {\bar {p}}}$ следующим соотношением:

${\displaystyle {\bar {n}}{\bar {p}}=n_{i}^{2}}$

Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе

концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок».

Проводимость связана с подвижностью частиц следующим соотношением:

${\displaystyle \sigma ={\frac {1}{\rho }}=q(N_{\rm {n}}\mu _{\rm {n}}+N_{\rm {p}}\mu _{\rm {p}})}$

где ${\displaystyle \rho }$ — удельное сопротивление, ${\displaystyle \mu _{\rm {n}}}$ —

, ${\displaystyle \mu _{\rm {p}}}$ — подвижность дырок, ${\displaystyle N_{n,p}}$ — их концентрация, q — элементарный электрический заряд (1,602⋅10⁻¹⁹ Кл).

Для собственного полупроводника концентрации носителей совпадают, и формула принимает вид:

${\displaystyle \sigma ={\frac {1}{\rho }}=qN(\mu _{\rm {n}}+\mu _{\rm {p}})}$

Для создания полупроводниковых приборов часто используют кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами трехвалентного или пятивалентного химического элемента.

Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными.

Проводимость N-полупроводников приблизительно равна:

${\displaystyle \sigma \approx qN_{\rm {n}}\mu _{\rm {n}}}$

Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными.

Проводимость p-полупроводников приблизительно равна:

${\displaystyle \sigma \approx qN_{\rm {p}}\mu _{\rm {p}}}$

Полупроводниковый диод состоит из двух типов полупроводников — дырочного и электронного. В процессе контакта между этими областями из области с полупроводником n-типа в область с полупроводником p-типа проходят электроны, которые затем рекомбинируют с дырками. Вследствие этого возникает электрическое поле между двумя областями, что устанавливает предел деления полупроводников — так называемый p-n переход. В результате в области с полупроводником p-типа возникает некомпенсированный заряд из отрицательных ионов, а в области с полупроводником n-типа возникает некомпенсированный заряд из положительных ионов. Разница между потенциалами достигает 0,3-0,6 В.

Связь между разницей потенциалов и концентрацией примесей выражается следующей формулой:

${\displaystyle \varphi =V_{\rm {T}}\ln \left({\frac {N_{\rm {n}}N_{\rm {p}}}{n_{\rm {i}}^{2}}}\right)}$

где ${\displaystyle V_{\rm {T}}}$ — термодинамическое напряжение, ${\displaystyle N_{\rm {n}}}$ — концентрация электронов, ${\displaystyle N_{\rm {p}}}$ — концентрация дырок, ${\displaystyle n_{\rm {i}}}$ — собственная концентрация^[4].

В процессе подачи напряжения плюсом на p-полупроводник и минусом на n-полупроводник внешнее электрическое поле будет направлено против внутреннего электрического поля p-n перехода и при достаточном напряжении электроны преодолеют p-n переход, и в цепи диода появится электрический ток (прямая проводимость, диод пропускает максимальный электрический ток). При подаче напряжения минусом на область с полупроводником p-типа и плюсом на область с полупроводником n-типа между двумя областями возникает область, которая не имеет свободных носителей электрического тока (обратная проводимость, диод сопротивляется пропусканию электрического тока). Обратный ток полупроводникового диода близок к нулю, но не равен нулю, так как в обеих областях всегда есть неосновные носители заряда. Для этих носителей p-n переход будет открыт.

Таким образом, p-n переход проявляет свойства односторонней проводимости, что обуславливается подачей напряжения с различной полярностью. Это свойство используют для выпрямления переменного тока.

Транзистор — полупроводниковое устройство, которое состоит из двух областей с полупроводниками p- или n-типа, между которыми находится область с полупроводником n- или p-типа. Таким образом, в транзисторе есть две области p-n перехода.

В нижеследующей таблице представлена информация о большом количестве полупроводниковых элементов и их соединений, разделённых на несколько типов:

• одноэлементные полупроводники IV группы
  периодической системы элементов
  ,
• сложные: двухэлементные A^IIIB^V и A^IIB^VI из третьей и пятой группы и из второй и шестой группы элементов соответственно.

Все типы полупроводников обладают интересной зависимостью ширины запрещённой зоны от периода, а именно — с увеличением периода ширина запрещённой зоны уменьшается.

Группа	IIB	IIIA	IVA	VA	VIA
Период
2		5 B	6 C	7 N
3		13 Al	14 Si	15 P	16 S
4	30 Zn	31 Ga	32 Ge	33 As	34 Se
5	48 Cd	49 In	50 Sn	51 Sb	52 Te
6	80 Hg

металлах и полуметаллах уровень Ферми

${\displaystyle E_{F}}$ находится внутри, по меньшей мере, одной разрешённой зоны. В диэлектриках и полупроводниках уровень Ферми находится внутри запрещённой зоны, но в полупроводниках зоны находятся достаточно близко к уровню Ферми для заполнения их электронами или дырками в результате теплового движения частиц.

Физические свойства полупроводников наиболее изучены по сравнению с

полупроводников и с достаточно узкой запрещённой зоной.

Основным стимулом для изучения полупроводниковых материалов является производство полупроводниковых приборов и интегральных микросхем — это в первую очередь относится к кремнию, но затрагивает и другие полупроводниковые материалы (Ge, GaAs, InP, InSb).

Кремний —

.

).

Легирование

Электрические свойства полупроводника могут сильно зависеть от дефектов в кристаллической структуре. Поэтому стремятся использовать очень чистые вещества, в основном, для электронной промышленности.

Легирующие примеси вводят для управления величиной и типом проводимости полупроводника. Например, широко применяемый

для расположения уровня Ферми в середине запрещённой зоны.

Методы получения

Свойства полупроводников зависят от способа получения, так как различные примеси в процессе роста могут изменить их. Наиболее дешёвый способ промышленного получения монокристаллического технологического кремния —

метод зонной плавки

.

Для получения монокристаллов полупроводников используют различные методы физического и химического осаждения. Наиболее прецизионный и дорогой инструмент в руках технологов для роста монокристаллических плёнок — установки

молекулярно-лучевой эпитаксии

, позволяющей выращивать кристалл с точностью до монослоя.

Оптика полупроводников

Поглощение света полупроводниками обусловлено переходами между энергетическими состояниями зонной структуры. Учитывая

Фотоны

с меньшей энергией не вызывают переходов между электронными состояниями полупроводника, поэтому такие полупроводники прозрачны в области частот ${\displaystyle \omega <E_{g}/\hbar }$ , где ${\displaystyle E_{g}}$ — ширина запрещённой зоны, ${\displaystyle \hbar }$ — постоянная Планка. Эта частота определяет фундаментальный край поглощения для полупроводника. Для полупроводников, которые зачастую применяются в электронике (кремний, германий, арсенид галлия) она лежит в инфракрасной области спектра.

Дополнительные ограничения на поглощение света полупроводников накладывают правила отбора, в частности закон сохранения импульса. Закон сохранения импульса требует, чтобы квазиимпульс конечного состояния отличался от квазиимпульса начального состояния на величину импульса поглощённого фотона. Волновое число фотона ${\displaystyle 2\pi /\lambda }$, где ${\displaystyle \lambda }$ — длина волны, очень мало по сравнению с волновым вектором обратной решётки полупроводника, или, что то же самое, длина волны фотона в видимой области намного больше характерного межатомного расстояния в полупроводнике, что приводит к требованию того, чтобы квазиимпульс конечного состояния при электронном переходе практически равнялся квазиимпульсу начального состояния. При частотах, близких к фундаментальному краю поглощения, это возможно только для прямозонных 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 ещё одна, третья частица, например, фонон. Такие переходы тоже возможны, хотя и менее вероятны. Они называются непрямыми переходами.

Таким образом, прямозонные полупроводники, такие как арсенид галлия, начинают сильно поглощать свет, когда энергия кванта превышает ширину запрещённой зоны. Такие полупроводники очень удобны для использования в оптоэлектронике.

Непрямозонные полупроводники, например, кремний, поглощают в области частот света с энергией кванта чуть больше ширины запрещённой зоны значительно слабее, только благодаря непрямым переходам, интенсивность которых зависит от присутствия фононов, и следовательно, от температуры. Граничная 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 края фундаментального поглощения также возможно поглощение света, которое связано с возбуждением

, создают акцепторные или донорные уровни, лежащие в запрещённой зоне. Они значительно модифицируют спектр поглощения легированного полупроводника. Если при непрямозонном 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 ниже по энергии от фундаментального края поглощения.

Полупроводниковые соединения делят на несколько типов:

• простые полупроводниковые материалы — собственно химические элементы: бор B, углерод C, германий Ge, кремний Si, селен Se, сера S, сурьма Sb, теллур Te и йод I. Самостоятельное применение широко нашли германий, кремний и селен. Остальные чаще всего применяются в качестве легирующих добавок или в качестве компонентов сложных полупроводниковых материалов;
• в группу сложных полупроводниковых материалов входят химические соединения из двух, трёх и более химических элементов. Полупроводниковые материалы из двух элементов называют бинарными, и так же, как это принято в химии, имеют наименование того компонента, металлические свойства которого выражены слабее. Так, бинарные соединения, содержащие мышьяк, называют арсенидами, серу — сульфидами, теллур — теллуридами, углерод — карбидами. Сложные полупроводниковые материалы объединяют по номеру группы
  Периодической системы элементов Д. И. Менделеева
  , к которой принадлежат компоненты соединения, и обозначают буквами латинского алфавита (A — первый элемент, B — второй и т. д.). Например, бинарное соединение фосфид индия InP имеет обозначение A^IIIB^V

Широкое применение получили следующие соединения:

A^IIIB^V

• InSb, InAs, InP, GaSb, GaP, AlSb, GaN, InN

A^IIB^V

• CdSb, ZnSb

A^IIB^VI

• ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdTe, HgSe, HgTe, HgS

A^IVB^VI

• PbS, PbSe, PbTe, SnTe, SnS, SnSe, GeS, GeSe

а также некоторые окислы свинца, олова, германия, кремния. Помимо окислов используются феррит, аморфные стёкла и многие другие соединения.(A^IB^IIIC₂^VI, A^IB^VC₂^VI, A^IIB^IVC₂^V, A^IIB₂^IIC₄^VI, A^IIB^IVC₃^VI).

На основе большинства из приведённых бинарных соединений возможно получение их твёрдых растворов: (CdTe)_x(HgTe)_1-x, (HgTe)_x(HgSe)_1-x, (PbTe)_x(SnTe)_1-x, (PbSe)_x(SnSe)_1-x и других.

Соединения A^IIIB^V, в основном, применяются для изделий электронной техники, работающих на сверхвысоких частотах.

Соединения A^IIB^V используют в качестве люминофоров видимой области, светодиодов, датчиков Холла, модуляторов.

Соединения A^IIIB^V, A^IIB^VI и A^IVB^VI применяют при изготовлении источников и приёмников света, индикаторов и модуляторов излучений.

Окисные полупроводниковые соединения применяют для изготовления фотоэлементов, выпрямителей и сердечников высокочастотных индуктивностей.

Физические свойства соединений типа A^IIIB^V

Параметры	AlSb	GaSb	InSb	AlAs	GaAs	InAs
Температура плавления, К	1333	998	798	1873	1553	1218
Постоянная решётки, Å	6,14	6,09	6,47	5,66	5,69	6,06
Ширина запрещённой зоны ΔE, эВ	0,52	0,7	0,18	2,2	1,41	0,35
Диэлектрическая проницаемость ε	8,4	14,0	15,9	—	—	—
Подвижность, см²/(В·с):
электронов	50	5000	60 000	—	4000	34000[5]
дырок	150	1000	4000	—	400	460[5]
Показатель преломления света, n	3,0	3,7	4,1	—	3,2	3,2
Линейный коэффициент теплового расширения, K-1	—	6,9·10-6	5,5·10-6	5,7·10-6	5,3·10-6	—

• собственные полупроводники
  • Кремний — Si
  • Германий — Ge
  • Серое олово — α-Sn
• составной полупроводник
  • Карбид кремния — SiC
  • Кремний-германий — SiGe

• 2-компонентные полупроводники
  • Антимонид алюминия — AlSb
  • Арсенид алюминия — AlAs
  • Нитрид алюминия — AlN
  • Фосфид алюминия — AlP
  • Нитрид бора — BN
  • Фосфид бора — BP
  • Арсенид бора — BAs
  • Антимонид галлия — GaSb
  • Арсенид галлия — GaAs
  • Нитрид галлия — GaN
  • Фосфид галлия — GaP
  • Антимонид индия — InSb
  • Арсенид индия — InAs
  • Нитрид индия — InN
  • Фосфид индия — InP
• 3-компонентные полупроводники
  • Al_xGa_1-xAs
  • InGaAs
    , In_xGa_1-xAs
  • InGaP
  • AlInAs
  • AlInSb
  • GaAsN
  • GaAsP
  • AlGaN
  • AlGaP
  • InGaN
  • InAsSb
  • InGaSb
• 4-компонентные полупроводники
  • AlGaInP, InAlGaP, InGaAlP, AlInGaP
  • AlGaAsP
  • InGaAsP
  • AlInAsP
  • AlGaAsN
  • InGaAsN
  • InAlAsN
  • GaAsSbN
• 5-компонентные полупроводники
  • GaInNAsSb
  • GaInAsSbP

• 2-компонентные полупроводники
  • Селенид кадмия — CdSe
  • Сульфид кадмия — CdS
  • Теллурид кадмия — CdTe
  • Теллурид платины — PtTe
  • Оксид цинка — ZnO
  • Селенид цинка — ZnSe
  • Сульфид цинка — ZnS
  • Теллурид цинка — ZnTe
  • Теллурид свинца — PbTe
• 3-компонентные полупроводники
  • CdZnTe, CZT
  • HgCdTe
  • HgZnTe
  • HgZnSe

• 2-компонентные полупроводники
  • Хлорид меди, CuCl

• 2-компонентные полупроводники
  • Селенид свинца, PbSe
  • PbS
  • PbTe
  • SnS
  • Теллурид олова, SnTe
• 3-компонентные полупроводники
  • PbSnTe
  • Tl₂SnTe₅
  • Tl₂GeTe₅

• 2-компонентные полупроводники
  • Теллурид висмута
    , Bi₂Te₃

• 2-компонентные полупроводники
  • Фосфид кадмия, Cd₃P₂
  • Арсенид кадмия, Cd₃As₂
  • Антимонид кадмия, Cd₃Sb₂
  • Фосфид цинка, Zn₃P₂
  • Арсенид цинка, Zn₃As₂
  • Антимонид цинка, Zn₃Sb₂

• • CuInGaSe
  • Силицид платины, PtSi
  • Иодид висмута(III), BiI₃
  • Иодид ртути(II), HgI₂
  • Бромид таллия(I), TlBr
  • Иодид меди(II), CuI₂
  • Дисульфид молибдена
    , MoS₂
  • Селенид галлия, GaSe
  • SnS
  • Сульфид висмута
    , Bi₂S₃
• Разные оксиды
  • Диоксид титана
    , TiO₂
  • Оксид меди(I), Cu₂O
  • CuO
  • Диоксид урана
    , UO₂
  • Триоксид урана
    , UO₃

• Тетрацен
• Пентацен
• Акридон
• Перинон
• Флавантрон
• Индантрон
• Индол
• Alq3

• Ферромагнетики
  • Оксид европия, EuO
  • Сульфид европия, EuS
  • CdCr₂Se₄
  • GaMnAs
  • Pb_1-xSn_xTe легированный Mn²⁺
  • GaAs легированный Mn²⁺
  • ZnO легированный Co²⁺
• Антиферромагнетики
  • Теллурид европия, EuTe
  • Селенид европия, EuSe
  • NiO

• Словарь терминов физики полупроводников
• Полупроводник p-типа
• Полупроводник n-типа
• p-n-переход
• Сверхрешётка
• Гетероструктура
• Полупроводниковые приборы
  • Интегральная схема
• Полупроводниковая промышленность
  • Полупроводниковые материалы

• Тауц Я. Фото- и термоэлектрические явления в полупроводниках. — М.: Издательство иностранной литературы, 1962. — 256 с.
• Тауц Я. Оптические свойства полупроводников. — М.: Мир, 1967. — 74 с.
• Киреев П. С. Физика полупроводников. — М.: Высшая школа, 1975. — 584 с. — 30 000 экз. 
• Горелик С. С., Дашевский В. Я. Материаловедение полупроводников и диэлектриков: Учебник для вузов. — М.: МИСИС, 2003. — 480 с. — ISBN 5-87623-018-7.
• Киселёв В. Ф. Поверхностные явления в полупроводниках и диэлектриках. — М.: Наука, 1970. — 399 с. — 7800 экз. 
• Анатычук Л. И., Булат Л. П. Полупроводники в экстремальных температурных условиях. — СПб.: Наука, 2001. — 223 с. — 1500 экз.
• Хенней И. Б. Полупроводники. — М.: Иностранная литература, 1962. — 668 с.
• Смит Р. Полупроводники. — М.: Иностранная литература, 1962. — 467 с.
• Жилич А. Г., Монозон Б. С. Магнито- и электропоглощение света в полупроводниках. — Л.: Изд-во ЛГУ, 1984.

	В Викисловаре есть статья «полупроводник»

• Получение зависимостей Мотта-Шоттки методом потенциодинамической электрохимической импедансной спектроскопии
• Электрические явления, протекающих в кристаллах полупроводников^{[уточнить]}
• Производство полупроводников^{[уточнить]}