Полупроводниковые материалы

 Собственная проводимость.

Собственная проводимость возникает в результате перехода электронов с верхних уровней валентной зоны в зону проводимости. При этом в зоне проводимости появляется некоторое число носителей тока — электронов, занимающих уровни вблизи дна зоны; одновременно в валентной зоне  освобождается такое же число мест на верхних уровнях. Такие свободные от электронов места на уровнях заполненной при абсолютном нуле валентной зоны называют дырками.

Распределение электронов по уровням валентной зоны и зоны проводимости определяется функцией Ферми. Вычисления показывают, что уровень Ферми лежит точно посредине запрещенной зоны (рис.1). Следовательно, для электронов, перешедших в зону проводимости, величина W—WF мало отличается от половины ширины запрещенной зоны. Уровни зоны проводимости лежат на хвосте кривой распределения. Поэтому вероятность их заполнения электронами можно находить по формуле 1.1:

 

 

Количество электронов, перешедших в зону проводимости, будет пропорционально вероятности (1.1). Эти электроны, а также, как мы увидим ниже, образовавшиеся в таком же числе дырки, являются носителями тока.

Поскольку ,проводимость пропорциональна числу носителей, она также должна быть пропорциональна    выражению (1.1). Следовательно, электропроводность полупроводников быстро растет с температурой, изменяясь по закону 1.2:

 

 

 

 

где ΔW—ширина запрещенной зоны.

 

 

Если на графике откладывать зависимость 1n σ от 1/T, то для полупроводников получается прямая линия, изображенная на рис. 2. По наклону этой прямой можно определить ширину запрещенной зоны ΔW.

Типичными полупроводниками являются элементы IV группы периодической системы Менделеева — германий и кремний. Они образуют решетку, в которой каждый атом связан ковалентными (парно-электронными) связями  с четырьмя равноотстоящими от него соседними атомами. Условно такое взаимное расположение атомов можно представить в виде плоской структуры, изображенной на рис. 3. Кружки со знаком «+» обозначают положительно заряженные атомные остатки (т. е. ту часть атома, которая остается после удаления валентных электронов), кружки   со   знаком   «—»— валентные электроны, двойные линии—ковалентные связи.

При достаточно высокой температуре тепловое движение может разорвать отдельные пары, освободив один электрон (такой случай показан на рис. 3).

. Покинутое электроном место перестает быть нейтральным, в его окрестности возникает избыточный положительный заряд + е — образуется дырка. На это место может перескочить электрон одной из соседних пар. В результате дырка начинает также странствовать по кристаллу, как и освободившийся электрон.

Если свободный электрон встретится с дыркой, они рекомбинируют    (соединяются). Это означает, что электрон нейтрализует избыточный   положительный заряд, имеющийся в окрестности дырки, и теряет свободу передвижения до тех пор, пока снова не получит от кристаллической решетки энергию, достаточную для своего высвобождения. Рекомбинация приводит к одновременному исчезновению свободного электрона я дырки. На схеме уровней (рис. 1) процессу рекомбинации соответствует переход электрона из зоны проводимости на один из свободных уровней валентной зоны.

Итак, в полупроводнике идут одновременно два процесса: рождение попарно свободных электронов и дырок и рекомбинация, приводящая к попарному исчезновению электронов и дырок. Вероятность первого процесса быстро растет с температурой. Вероятность рекомбинации пропорциональна как числу свободных электронов, так и числу дырок. Следовательно, каждой температуре соответствует определенная -равновесная концентрация электронов и дырок, величина которой изменяется с температурой по такому же закону, как и σ [см. формулу (1.2)].

В отсутствие внешнего электрического поля электроны проводимости и дырки движутся хаотически. При включении поля на хаотическое движение накладывается упорядоченное движение: электронов против поля и дырок — в направлении поля. Оба движения — и дырок, и электронов — приводят к переносу заряда вдоль кристалла. Следовательно, собственная электропроводность обусловливается как бы носителями заряда двух знаков— отрицательными электронами и положительными дырками.

 Собственная  проводимость наблюдается во  всех безисключения полупроводниках  при достаточно высокой температуре.

 

 

Примесная проводимость.

Этот вид проводимости возникает, если некоторые атомы данного полупроводника    заменить в узлах кристаллической решетки атомами, валентность которых отличается на единицу от валентности основных атомов. На рис. 4 условно изображена решетка германия с примесью 5-валентных атомов фосфора. Для образования ковалентных связей с соседями атому фосфора достаточно четырех электронов. Следовательно, пятый валентный электрон оказывается как бы лишним и легко отщепляется

от атома за счет энергии теплового движения, образуя странствующий свободный электрон. В отличие от рассмотренного раньше случая образование свободного электрона не сопровождается нарушением ковалентных связей, т. е. образованием дырки. Хотя в окрестности атома примеси возникает избыточный положительный заряд, но он связан с этим атомом и перемещаться по решетке не может. Благодаря этому заряду атом примеси может захватить приблизившийся к нему электрон, но связь захваченного электрона с атомом будет непрочной и легко нарушается вновь за счет тепловых колебаний решетки.         

Таким образом, в полупроводнике с 5-валентной примесью имеется только один вид носителей тока — электроны. Соответственно говорят, что такой полупроводник обладает электронной проводимостью или является полупроводником n-типа (от слова negativ — отрицательный). Атомы примеси, поставляющие электроны проводимости, называются  д о н о р а м и.

Примеси искажают поле решетки, что приводит к возникновению на энергетической схеме так называемых локальных уровней, расположенных в запрещенной зоне кристалла (рис. 5). Любой уровень валентной зоны или зоны проводимости может быть занят электроном, находящимся в любом месте кристалла.

Энергию, соответствующую локальному уровню, электрон может иметь, лишь находясь вблизи атома примеси, вызвавшего появление этого уровня. Следовательно, электрон, занимающий примесный уровень, локализован вблизи атома примеси.

   Если  донорные уровни расположены  недалеко от потолка валентной  зоны, они не могут существенно  повлиять на электрические свойства  кристалла. Иначе обстоит дело, когда  расстояние таких уровней от  дна зоны проводимости гораздо  меньше, чем ширина запрещенной зоны, В этом случае энергия теплового движения даже при обычных температурах оказывается достаточной для того, чтобы перевести электрон с донорного уровня в зону проводимости. На рис. 4 этому процессу соответствует отщепление пятого валентного электрона от атома примеси. Захвату свободного электрона атомом примеси соответствует на рис. 5  переход электрона из зоны проводимости на один из донорных уровней.

Уровень Ферми в полупроводнике n-типа лежит между донорными уровнями и дном зоны проводимости, при невысоких температурах — приблизительно посредине между ними (рис. 5).

На рис. 6 условно изображена решетка кремния с примесью 3-валентных атомов бора. Трех валентных электронов атома бора недостаточно для образования связей со всеми четырьмя соседями. Поэтому одна из связей окажется неукомплектованной и будет представлять собой место, способное захватить электрон. При переходе на это место электрона одной из соседних пар возникнет дырка, которая будет кочевать по кристаллу. Вблизи атома примеси возникнет избыточный отрицательный заряд, но он будет связан с данным атомом и не может стать носителем тока. Таким образом, в полупроводнике с 3-валентной примесью возникают носители тока только одного вида — дырки. Проводимость в этом случае называется дырочной, а о полупроводнике говорят, что он принадлежит к p-типу (от слова positiv — положительный). Примеси, вызывающие возникновение дырок, называются акцепторными.

На схеме уровней (рис. 7) акцептору соответствует расположенный в запретной зоне недалеко от ее дна локальный уровень. Образованию дырки отвечает переход электрона из валентной зоны на акцепторный уровень. Обратный переход соответствует разрыву одной из четырех ковалентных связей атома примеси с его соседями и рекомбинации образовавшегося при этом электрона и дырки.

Уровень Ферми в полупроводнике р-типа лежит между потолком валентной зоны и акцепторными уровнями, при невысоких температурах — приблизительно посредине между ними.

С повышением температуры концентрация примесных носителей тока быстро достигает насыщения. Это означает, что практически освобождаются все донорные или заполняются электронами все акцепторные уровни. Вместе с тем по мере роста температуры все в большей степени начинает сказываться собственная проводимость полупроводника, обусловленная переходом электронов непосредственно из валентной зоны в зону проводимости. Таким образом, при высоких температурах проводимость полупроводника будет складываться из примесной и собственной проводимости. При низких температурах преобладает примесная, а при высоких — собственная проводимость.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Применение полупроводников.

Приборы.

Тепловые сопротивления (термисторы)

Изменение электропроводности полупроводников под влиянием температуры позволило применять их в приборах, работа которых основана на использовании этого свойства. Полупроводники используют в качестве термометров для замера температур окружающей среды. Они более чувствительны, чем термометры сопротивления, изготовляемые из металла под названием болометров и применяемые в лабораторной практике для измерения очень высоких или самых низких температур. О температуре судят, замеряя электрическое сопротивление болометра. Но точность измерения с помощью этих приборов невелика, так как металлы изменяют своё сопротивление всего на 0,3% на каждый градус. Иное положение имеет место при использовании полупроводников. У некоторых полупроводников повышение температуры на 1°C увеличивает электропроводность на 3-6%, повышение температуры на 10° - примерно на 75%, а повышение температуры на 100°C увеличивает электропроводность в 50 раз. Благодаря высокому удельному сопротивлению полупроводников их применяют в качестве чувствительных термометров при дистанционных измерениях. Сопротивление металлических проводов даже очень тонких и длиной в несколько километров  оказывается ничтожным  по сравнению с сопротивлением  термометра. Размеры полупроводниковых сопротивлений могут быть чрезвычайно малыми длиной в несколько десятых долей миллиметра. Это снижает инерционность прибора, так как при малых размерах сопротивление быстро принимает температуру окружающей среды. Значительное изменение электропроводности полупроводников в зависимости от температуры обеспечивает точность измерений.

Полупроводниковые термометры сопротивления под названием термисторов широко применяют в технике. С их помощью контролируют температуру в большом числе точек, причём показания её могут быть получены на приборах, установленных в одном пункте. При таком контроле температур в помещениях с помощью термисторов можно поддерживать температуру на желаемом уровне, включая и выключая нагревательные  приборы, когда заданный уровень температуры отклоняется от нормы. Работают они при температурах до 300°C (573°K). Термисторы могут выполнять функции ограничителя времени. Для этого последовательно с полупроводниковым термосопротивлением включается то или иное активное электросопротивление. В результате в сети получается возрастающий со временем ток, так как ток разогревает полупроводник и повышает его электропроводность, следовательно, повышается и величина тока в цепи. По мере разогрева полупроводника сопротивление падает, а ток повышается ещё в большей степени. Параллельно с ростом температуры увеличиваются и потери тепла в окружающую среду до тех пор, пока они не сравняются с теплотой, выделяемой током; тогда будет достигнута равновесная температура, которую полупроводник и будет сохранять, пока к нему приложена данная разность потенциалов.

Продолжительность времени, необходимого для достижения равновесия и определённого тока при данной разности потенциалов, определяется размерами образца и условиями охлаждения. Такое «реле» времени допускает регулировку в самых широких пределах. Можно подобрать условия так, чтобы это время было от долей секунды до 10 мин. По достижении установленного времени может производиться автоматическое включение и выключение систем освещения или действующих установок.

Термосопротивления применяют как регуляторы температуры, температурные компенсаторы, в приборах для измерения утечки газа, для дистанционного измерения влажности, для измерения высоких давлений, механических напряжений, скорости или количества протекающих жидкости, скорости движения газов, для измерения больших ускорений.

При изготовлении термисторов пользуются окислами различных металлов, таких, как CuO, Mn3O4, UO2, а также Ag2S. Хорошие результаты дают смеси полупроводников, такие, как CuO+Mn3O4; Mn3O4+NiO; Mn3O4+NiO+Co3O4.

Вещества, используемые для изготовления термосопротивлений, представляют собой мелкокристаллические порошки. Составляя смесь, регулируют их проводимость, обусловленную ионами с разной валентностью. Это позволяет удовлетворять самые различные требования, которые предъявляются к термосопротивлениям в зависимости от их назначения.

Термосопротивления изготавливают прессованием полупроводникового порошка с последующим спеканием в твёрдую компактную массу, а также путём плавки полупроводника для придания ему нужной формы и размеров. Изготавливают их в виде шариков, стержней, дисков, шайб и чешуек.

Наша промышленность выпускает различные типы термосопротивлений, среди которых наиболее распространёнными являются: ММТ-1, ММТ-4, КМТ-1, КМТ-4, ММТ-8 и ММТ-9. В этих марках буквы являются условным обозначением материала термосопротивлений, а цифры – его конструктивного оформления. Первые четыре из приведенных сопротивлений применяют для измерения и регулирования температуры; в качестве «реле» времени; для дистанционного измерения влажности воздуха (по принципу психометра Ассмана); для замера малых скоростей движения и теплопроводности газов, жидкостей и для ряда других целей.

В качестве переменных сопротивлений без скользящего контакта в различных автоматических схемах слабого тока применяют термосопротивления с косвенным подогревом, обозначаемые ТКП-300, ТКП-20, что означает термосопротивление косвенного подогрева, в отличие от ТП – термосопротивления прямого подогрева. Цифры указывают электросопротивление полупроводника в омах при номинальной мощности, рассеиваемое в подогреваемой обмотке.