Halbleitersubstanzen. Halbleiter – Materialien zur Vorbereitung auf das Einheitliche Staatsexamen in Physik

Neben Stromleitern gibt es in der Natur viele Stoffe, deren elektrische Leitfähigkeit deutlich geringer ist als die von metallischen Leitern. Stoffe dieser Art nennt man Halbleiter.

Zu den Halbleitern gehören: einige chemische Elemente wie Selen, Silizium und Germanium, Schwefelverbindungen wie Thalliumsulfid, Cadmiumsulfid, Silbersulfid, Karbide wie Karborund,Kohlenstoff (Diamant),Bor, Grauzinn, Phosphor, Antimon, Arsen, Tellur, Jod und eine Reihe von Verbindungen, die mindestens eines der Elemente der 4. bis 7. Gruppe des Periodensystems umfassen. Es gibt auch organische Halbleiter.

Die Art der elektrischen Leitfähigkeit eines Halbleiters hängt von der Art der im Grundmaterial des Halbleiters vorhandenen Verunreinigungen und von der Herstellungstechnologie seiner Komponenten ab.

Ein Halbleiter ist ein Stoff mit 10 -10 - 10 4 (Ohm x cm) -1, der diesen Eigenschaften zufolge zwischen einem Leiter und einem Isolator liegt. Der Unterschied zwischen Leitern, Halbleitern und Isolatoren gemäß der Bandtheorie ist wie folgt: Bei reinen Halbleitern und elektronischen Isolatoren besteht eine Energielücke zwischen dem gefüllten Band (Valenz) und dem Leitungsband.

Warum leiten Halbleiter Strom?

Ein Halbleiter besitzt elektronische Leitfähigkeit, wenn die Außenelektronen seiner Verunreinigungsatome relativ schwach an die Kerne dieser Atome gebunden sind. Wird in einem solchen Halbleiter ein elektrisches Feld erzeugt, so verlassen unter dem Einfluss der Kräfte dieses Feldes die Außenelektronen der Fremdatome des Halbleiters die Grenzen ihrer Atome und verwandeln sich in freie Elektronen.

Freie Elektronen erzeugen unter dem Einfluss elektrischer Feldkräfte einen elektrischen Leitungsstrom im Halbleiter. Folglich ist die Art des elektrischen Stroms in Halbleitern mit elektronischer Leitfähigkeit dieselbe wie in metallischen Leitern. Da es aber in einer Volumeneinheit eines Halbleiters um ein Vielfaches weniger freie Elektronen gibt als in einer Volumeneinheit eines Metallleiters, ist es natürlich, dass unter allen anderen identischen Bedingungen der Strom in einem Halbleiter um ein Vielfaches geringer ist als in einem Metallleiter.

Ein Halbleiter hat eine „Loch“-Leitfähigkeit, wenn seine Verunreinigungsatome nicht nur ihre äußeren Elektronen nicht abgeben, sondern im Gegenteil dazu neigen, Elektronen von den Atomen der Hauptsubstanz des Halbleiters einzufangen. Nimmt ein Verunreinigungsatom einem Atom der Hauptsubstanz ein Elektron ab, so entsteht in diesem so etwas wie ein Freiraum für ein Elektron – ein „Loch“.

Ein Halbleiteratom, das ein Elektron verloren hat, wird „Elektronenloch“ oder einfach „Loch“ genannt. Wenn das „Loch“ mit einem von einem benachbarten Atom übertragenen Elektron gefüllt wird, wird es eliminiert und das Atom wird elektrisch neutral, und das „Loch“ wird auf das benachbarte Atom verlagert, das das Elektron verloren hat. Wenn also ein Halbleiter mit „Loch“-Leitfähigkeit einem elektrischen Feld ausgesetzt wird, verschieben sich die „Elektronenlöcher“ in Richtung dieses Feldes.

Voreingenommenheit „Elektronenlöcher“ in Richtung des elektrischen Feldes ähneln der Bewegung positiver elektrischer Ladungen im Feld und stellen daher das Phänomen des elektrischen Stroms in einem Halbleiter dar.

Halbleiter können nicht streng nach dem Mechanismus ihrer elektrischen Leitfähigkeit unterschieden werden, da zusammen mitBei der „Loch“-Leitfähigkeit kann ein bestimmter Halbleiter bis zu einem gewissen Grad auch elektronische Leitfähigkeit aufweisen.

Halbleiter zeichnen sich aus durch:

Art der Leitfähigkeit (elektronisch – n-Typ, Loch – p-Typ);

spezifischer Widerstand;

Lebensdauer der Ladungsträger (Minderheit) oder Diffusionslänge, Oberflächenrekombinationsrate;

Versetzungsdichte.

Silizium ist das am häufigsten verwendete Halbleitermaterial

Die Temperatur hat einen erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften von Halbleitern. Eine Erhöhung führt überwiegend zu einer Verringerung des spezifischen Widerstands und umgekehrt, d. h. Halbleiter zeichnen sich durch das Vorhandensein eines Negativs aus . Nahe dem absoluten Nullpunkt wird ein Halbleiter zum Isolator.

Halbleiter sind die Basis vieler Geräte. In den meisten Fällen müssen sie in Form von Einkristallen gewonnen werden. Um ihnen bestimmte Eigenschaften zu verleihen, werden Halbleiter mit verschiedenen Verunreinigungen dotiert. An die Reinheit der Ausgangshalbleitermaterialien werden erhöhte Anforderungen gestellt.

Halbleiter haben in der modernen Technik die weiteste Anwendung gefunden und den technischen Fortschritt sehr stark beeinflusst. Dank ihnen ist es möglich, das Gewicht und die Abmessungen elektronischer Geräte deutlich zu reduzieren. Die Entwicklung aller Bereiche der Elektronik führt zur Schaffung und Verbesserung einer Vielzahl unterschiedlicher Geräte auf Basis von Halbleiterbauelementen. Halbleiterbauelemente dienen als Basis für Mikrozellen, Mikromodule, Festkörperschaltungen usw.

Elektronische Geräte auf Basis von Halbleiterbauelementen sind praktisch trägheitsfrei. Ein sorgfältig konstruiertes und gut abgedichtetes Halbleiterbauelement kann Zehntausende Stunden halten. Einige Halbleitermaterialien haben jedoch eine niedrige Temperaturgrenze (z. B. Germanium), aber eine nicht sehr komplexe Temperaturkompensation oder der Austausch des Hauptmaterials des Geräts durch ein anderes (z. B. Silizium, Siliziumkarbid) beseitigt diesen Nachteil weitgehend. Die Verbesserung der Technologie zur Herstellung von Halbleiterbauelementen führt zu einer Verringerung der bestehenden Streuung und Instabilität der Parameter.

Der in Halbleitern erzeugte Halbleiter-Metall-Kontakt und der Elektron-Loch-Übergang (NP-Übergang) werden bei der Herstellung von Halbleiterdioden verwendet. Doppelte Übergänge (p-n-p oder n-p-n) – Transistoren und Thyristoren. Diese Geräte dienen hauptsächlich der Gleichrichtung, Erzeugung und Verstärkung elektrischer Signale.

Basierend auf den fotoelektrischen Eigenschaften von Halbleitern entstehen Fotowiderstände, Fotodioden und Fototransistoren. Der Halbleiter dient als aktiver Teil von Schwingungsgeneratoren (Verstärkern). Wenn elektrischer Strom in Vorwärtsrichtung durch einen pn-Übergang geleitet wird, rekombinieren Ladungsträger – Elektronen und Löcher – unter Emission von Photonen, die zur Herstellung von LEDs genutzt werden.

Die thermoelektrischen Eigenschaften von Halbleitern ermöglichten die Herstellung von Halbleiter-Wärmewiderständen, Halbleiter-Thermoelementen, Thermosäulen und thermoelektrischen Generatoren sowie die thermoelektrische Kühlung von Halbleitern auf der Grundlage des Peltier-Effekts – thermoelektrische Kühlschränke und Thermostabilisatoren.

Halbleiter werden in maschinenlosen Wandlern von Wärme- und Sonnenenergie in Elektrizität verwendet – thermoelektrische Generatoren und fotoelektrische Wandler (Solarbatterien).

Durch mechanische Beanspruchung verändert sich der elektrische Widerstand eines Halbleiters (der Effekt ist stärker als bei Metallen), was die Grundlage für den Halbleiter-Dehnmessstreifen bildete.

Halbleiterbauelemente sind in der Weltpraxis weit verbreitet und revolutionieren die Elektronik. Sie dienen als Grundlage für die Entwicklung und Produktion von:

Messgeräte, Computer,

Ausrüstung für alle Arten von Kommunikation und Transport,

zur Prozessautomatisierung in der Industrie,

Geräte für die wissenschaftliche Forschung,

Raketentechnik,

medizinische Ausrüstung

andere elektronische Geräte und Instrumente.

Der Einsatz von Halbleiterbauelementen ermöglicht die Schaffung neuer und die Verbesserung alter Geräte, was eine Verringerung der Abmessungen, des Gewichts und des Stromverbrauchs und damit eine Verringerung der Wärmeentwicklung im Stromkreis, eine Erhöhung der Festigkeit und eine sofortige Einsatzbereitschaft bedeutet und kann die Lebensdauer und Zuverlässigkeit elektronischer Geräte erhöhen.

Historische Informationen

Halbleiter als besondere Stoffklasse sind seit Ende des 19. Jahrhunderts bekannt, erst die Entwicklung der Festkörpertheorie ermöglichte es, ihre Eigenschaften lange vor ihrer Entdeckung zu verstehen:

1. Wirkung der Stromgleichrichtung am Metall-Halbleiter-Kontakt

2. Fotoleitfähigkeit.

Die ersten darauf basierenden Geräte wurden gebaut.

O. V. Losev (1923) bewies die Möglichkeit, Halbleiter-Metall-Kontakte zur Verstärkung und Erzeugung von Schwingungen zu verwenden (Kristalldetektor). In den folgenden Jahren wurden Kristalldetektoren jedoch durch Elektronenröhren ersetzt, und erst in den frühen 50er Jahren begann mit der Entdeckung der Transistoren (USA 1949) die weit verbreitete Verwendung von Halbleitern (hauptsächlich Germanium und Silizium in der Radioelektronik). Gleichzeitig begann eine intensive Untersuchung der Eigenschaften von Halbleitern, was durch die Verbesserung der Methoden zur Reinigung und Dotierung von Kristallen (Einbringen bestimmter Verunreinigungen in den Halbleiter) erleichtert wurde.

In der UdSSR begann die Erforschung von Halbleitern Ende der 20er Jahre unter der Leitung von A.F. Ioffe am Physikalisch-Technischen Institut der Akademie der Wissenschaften der UdSSR.

Das Interesse an den optischen Eigenschaften von Halbleitern hat durch die Entdeckung der stimulierten Emission in Halbleitern zugenommen, was zur Entwicklung von Halbleiterlasern führte, zunächst am pn-Übergang und dann an Heteroübergängen.

In letzter Zeit sind Geräte, die auf der Wirkung von Halbleitern basieren, immer weiter verbreitet. Die Erforschung dieser Stoffe begann erst vor relativ kurzer Zeit, aber weder die moderne Elektronik noch die Medizin noch viele andere Wissenschaften kommen ohne sie aus.

Eigenschaften von Halbleitern

Halbleiter- eine große Klasse von Stoffen, die durch Werte der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit d gekennzeichnet sind, die im Bereich zwischen der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit von Metallen und guten Dielektrika liegen, d. h. diese Stoffe können nicht den beiden Dielektrika zugeordnet werden (da sie nicht gut sind). Isolatoren) oder Metalle (sie sind keine guten Leiter für elektrischen Strom). Zu den Halbleitern zählen beispielsweise Stoffe wie Germanium, Silizium, Selen, Tellur sowie einige Oxide, Sulfide und Legierungen von Metallen.

Halbleiter haben bei Wissenschaftlern und Ingenieuren lange Zeit nicht viel Aufmerksamkeit erregt. Einer der ersten, der mit der systematischen Erforschung der physikalischen Eigenschaften von Halbleitern begann, war der herausragende sowjetische Physiker Abram Fedorovich Ioffe. Er fand heraus, dass Halbleiter eine besondere Klasse von Kristallen mit vielen bemerkenswerten Eigenschaften sind:

1) Mit steigender Temperatur nimmt der spezifische Widerstand von Halbleitern ab, im Gegensatz zu Metallen, deren spezifischer Widerstand mit steigender Temperatur zunimmt. Darüber hinaus erfolgt dieser Anstieg in der Regel über einen weiten Temperaturbereich exponentiell:

d = dо ∙ exp. (-ea/kT)

wobei ea die sogenannte Leitungsaktivierungsenergie ist,

dо - Koeffizient abhängig von der Temperatur

Der spezifische Widerstand von Halbleiterkristallen kann auch abnehmen, wenn sie Licht oder starken elektronischen Feldern ausgesetzt werden.

2) Die Eigenschaft der Einwegleitfähigkeit des Kontakts zweier Halbleiter. Diese Eigenschaft wird bei der Herstellung verschiedener Halbleiterbauelemente genutzt: Dioden, Transistoren, Thyristoren usw.

3) Kontakte verschiedener Halbleiter sind unter bestimmten Bedingungen bei Beleuchtung oder Erwärmung Quellen für Photoemissionen. d.s. oder dementsprechend thermo-e. d.s.

Der Aufbau von Halbleitern und das Funktionsprinzip.

Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei Halbleitern um eine besondere Klasse von Kristallen. Valenzelektronen bilden regelmäßige kovalente Bindungen, schematisch dargestellt in Abb. 1. Ein solch idealer Halbleiter leitet überhaupt keinen elektrischen Strom (ohne Beleuchtung und Strahlungseinwirkung).

Ebenso wie in Nichtleitern sind Elektronen in Halbleitern an Atome gebunden, allerdings ist diese Bindung sehr schwach. Wenn die Temperatur steigt

(T>0 K) können unter Beleuchtung oder Bestrahlung elektronische Bindungen aufgebrochen werden, was zur Trennung eines Elektrons vom Atom führt (Abb. 2). Ein solches Elektron ist ein Stromträger. Je höher die Temperatur des Halbleiters ist, desto höher ist die Konzentration der Leitungselektronen und desto geringer ist daher der spezifische Widerstand. Somit ist die Abnahme des Widerstands von Halbleitern beim Erhitzen auf eine Erhöhung der Konzentration der darin enthaltenen Stromträger zurückzuführen.

Im Gegensatz zu Leitern können Stromträger in Halbleitersubstanzen nicht nur Elektronen, sondern auch „Löcher“ sein. Wenn eines der Halbleiteratome ein Elektron verliert, bleibt in seiner Umlaufbahn ein leerer Raum – ein „Loch“; wenn ein elektrisches Feld an den Kristall angelegt wird, bewegt sich das „Loch“ als positive Ladung in Richtung des Vektors E, was tatsächlich auftritt aufgrund zum Bruch einiger Bindungen und zur Wiederherstellung anderer. Ein „Loch“ kann herkömmlicherweise als ein Teilchen betrachtet werden, das eine positive Ladung trägt.

Leitfähigkeit von Verunreinigungen .

Derselbe Halbleiter hat beides elektronisch,oder Loch Leitfähigkeit – diese hängt von der chemischen Zusammensetzung der eingebrachten Verunreinigungen ab. Verunreinigungen haben einen starken Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern:

Beispielsweise können tausendstel Prozent der Verunreinigungen Hunderttausende Male vorkommen

ihren Widerstand verringern. Diese Tatsache weist einerseits auf die Möglichkeit hin, die Eigenschaften von Halbleitern zu verändern, andererseits weist sie auf die Schwierigkeiten der Technologie bei der Herstellung von Halbleitermaterialien mit bestimmten Eigenschaften hin.

Bei der Betrachtung des Mechanismus des Einflusses von Verunreinigungen auf die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern sollten zwei Fälle berücksichtigt werden:

Elektronische Leitfähigkeit .

Die Zugabe elektronenreicher Verunreinigungen wie Arsen oder Antimon zu Germanium ermöglicht die Herstellung eines Halbleiters mit elektronische Leitfähigkeit oder Halbleiter vom n-Typ (vom lateinischen Wort „negativus“ – „negativ“).

In Abb. Abbildung 3a zeigt schematisch das Bild der Elektronenbindungen bei 0 K. Eines der Valenzelektronen von Arsen nimmt nicht an Bindungen mit anderen Atomen teil. Bei steigender Temperatur kann ein Elektron dem Atom entrissen werden (siehe Abb. 3b) und dadurch elektronische Leitfähigkeit entstehen.

Verunreinigungen, die eine solche elektrische Leitfähigkeit erzeugen, werden Donatoren genannt.

Lochleitfähigkeit

Die Zugabe von Aluminium, Gallium oder Indium zum gleichen Germanium führt zu einem Übermaß an Löchern im Kristall. Dann wird der Halbleiter haben Lochleitfähigkeit - Halbleiter vom p-Typ.

Die elektrische Leitfähigkeit von Lochverunreinigungen wird durch Atome erzeugt, die weniger Valenzelektronen als die Hauptatome haben. In Abb. Abbildung 4 zeigt schematisch die elektronischen Verbindungen von Germanium mit einer Borverunreinigung. Bei 0 K sind alle Bindungen vollständig, nur bei Bor fehlt eine Bindung (siehe Abb. 4a). Allerdings kann Bor mit steigender Temperatur seine Bindungen auf Kosten von Elektronen benachbarter Atome sättigen (siehe Abb. 4b).

Solche Verunreinigungen werden Akzeptorverunreinigungen genannt.

Flüssige Halbleiter

Das Schmelzen vieler kristalliner Halbleiter geht mit einem starken Anstieg ihrer elektrischen Leitfähigkeit Q auf für Metalle typische Werte einher (siehe Abb. 5a). Eine Reihe von Halbleitern (z. B. HgSe, HgTe usw.) zeichnen sich jedoch durch die Beibehaltung oder Abnahme von Q während des Schmelzens aus, und die Halbleiter behalten die Natur der Temperaturabhängigkeit von Q bei (siehe Abb. 5b). Einige flüssige Halbleiter verlieren bei weiterer Temperaturerhöhung ihre halbleitenden Eigenschaften und erwerben metallische Eigenschaften (z. B. Te-Se-Legierungen und Te-Legierungen). Se-reiche Te-Se-Legierungen verhalten sich anders; ihre elektrische Leitfähigkeit ist rein halbleiterischer Natur.

In flüssigen Halbleitern spielt der Energiebereich nahe der minimalen Zustandsdichte im Energiespektrum der Elektronen die Rolle der Bandlücke.

Wenn das Minimum ausreichend tief ist, entsteht in seiner Nähe eine Zone nahezu lokalisierter Zustände von Ladungsträgern mit geringer Mobilität (Pseudogape). Wenn die Pseudolücken bei steigender Temperatur „kollabieren“, verwandelt sich der flüssige Halbleiter in ein Metall.

Einsatz von Halbleitern.

Die wichtigsten Halbleiterbauelemente für die Technik – Dioden, Transistoren, Thyristoren – basieren auf der Verwendung bemerkenswerter Materialien mit Elektronen- oder Lochleitfähigkeit.

Der weitverbreitete Einsatz von Halbleitern begann erst vor relativ kurzer Zeit und mittlerweile sind sie weit verbreitet. Sie wandeln Licht- und Wärmeenergie in elektrische Energie um und erzeugen umgekehrt mit Strom Wärme und Kälte. Halbleiterbauelemente finden sich in einem herkömmlichen Radioempfänger und in einem Quantengenerator – einem Laser –, in einer winzigen Atombatterie und in Mikroprozessoren.

Auf Halbleitergleichrichter können Ingenieure nicht verzichten,

Schalter und Verstärker. Der Ersatz von Röhrengeräten durch Halbleitergeräte hat es ermöglicht, die Größe und das Gewicht elektronischer Geräte um das Zehnfache zu reduzieren, ihren Stromverbrauch zu senken und die Zuverlässigkeit drastisch zu erhöhen.

Halbleiter werden in der Technik häufig eingesetzt. Die Wirkungsweise einer Halbleiterdiode beruht auf unterschiedlicher Leitfähigkeit (p- und n-Typ). Wenn Halbleiter mit p- und n-Leitfähigkeit mit einer bestimmten Stromrichtung in Kontakt kommen, entsteht im Stromkreis eine Barriereschicht (Abb. 19.4) – eine doppelte elektrische Schicht, deren Feld die Übertragung von Ladungsträgern verhindert. Darauf beruht die Wirkung der Halbleiterdiode, die zur Gleichrichtung von Wechselstrom dient. Selen-Gleichrichter gehörten zu den ersten, die sich durchsetzten.

Neben Dioden werden in der Funktechnik auch häufig Halbleitertrioden eingesetzt – Transistoren, bei denen es zwei pn-Übergänge gibt: entweder pnp oder npn.

Die starke Temperaturabhängigkeit von Halbleitern wird in Thermistoren, hochempfindlichen Geräten zur Temperaturmessung, genutzt.

Zu den zahlreichen Anwendungen von Halbleitern zählen auch Solarzellen, deren Funktionsweise auf der Photoleitfähigkeit von Halbleitern basiert – der Fähigkeit, den Widerstand unter dem Einfluss von Licht zu ändern (ein Phänomen, das dem photoelektrischen Effekt ähnelt, der vollständig innerhalb einer festen Materie auftritt). .

Magnetische Kräfte

Die magnetischen Eigenschaften von Stoffen sind seit der Antike bekannt. Von antiken Wissenschaftlern als Stein beschrieben, der Eisen anzieht, handelt es sich um einen natürlichen Magneten – ein Mineral, das in der Natur häufig vorkommt. Es besteht aus Eisenverbindungen (FeO – 31 % und Fe 2 O 3 – 69 %). Bereits im Jahr 1600 wurde V. Gilberts Werk „Über den Magneten, die magnetischen Körper und den großen Magneten der Erde“ veröffentlicht, das eine Verallgemeinerung einer Vielzahl experimenteller Fakten enthielt. Die wichtigsten waren wie folgt:

1) Ein Magnet hat zwei Pole – Nord- und Südpole, die sich in ihren Eigenschaften unterscheiden,

2) ungleiche Pole ziehen sich an, gleiche Pole stoßen ab;

3) Die Magnetnadel befindet sich auf eine bestimmte Weise im Raum und zeigt von Norden nach Süden.

4) es ist unmöglich, einen Magneten mit einem Pol zu erhalten;

5) Die Erde ist ein großer Magnet.

Die Natur magnetischer Phänomene wurde erst enthüllt, nachdem im 19. Jahrhundert experimentell festgestellt wurde, dass elektrischer Strom (bewegte Ladungen) ein Magnetfeld erzeugt (R. Erstad, 1820). Das Ergebnis war die Untersuchung der Wechselwirkung von Leitern mit Strömen Davon wurde festgestellt, dass parallele Ströme gleicher Richtung angezogen werden und die entgegengesetzten Ströme sich abstoßen (J. Amper, I820), was zu dem Schluss führte, dass sich die Wechselwirkungskräfte zwischen bewegten elektrischen Ladungen von den Wechselwirkungskräften zwischen stationären Ladungen unterscheiden .

Zusätzliche Kräfte, die zwischen bewegten Ladungen entstehen, werden magnetische Kräfte genannt. Dies liegt daran, dass sie durch die Einwirkung von Strom auf eine Magnetnadel entdeckt wurden.

Somit können alle magnetischen Störungen auf elektrische reduziert werden, und magnetische Kräfte sind, wie Einstein zeigte, eine relativistische Korrektur des Coulombschen Gesetzes.

Während in den Leitern kein Strom fließt, entstehen zwischen ihnen keine Wechselwirkungskräfte, weil Die positive Ladung der Ionen des Metallkristallgitters und die negative Ladung der Elektronen sind gleichmäßig verteilt und die Gesamtladung im Inneren des Leiters ist Null. Bei Vorhandensein von Strom verringert sich aufgrund der Bewegung der Elektronen der durchschnittliche Abstand zwischen ihnen um den Faktor wo

V ist die Driftgeschwindigkeit der Elektronen. Dadurch erhöht sich die Ladungsdichte der Elektronen um den Faktor zwei, sodass die resultierende Ladung nicht Null ist. Dies führt zur Wechselwirkung von Leitern.

Eine der Haupteigenschaften eines p-n-Übergangs ist seine Fähigkeit, elektrischen Strom in einer (Vorwärts-)Richtung tausende und millionenfach besser zu leiten als in der Rückwärtsrichtung.

Halbleiter sind eine Stoffklasse, die eine Zwischenstellung zwischen Stoffen einnimmt, die den elektrischen Strom gut leiten (Leiter, hauptsächlich Metalle) und Stoffen, die den elektrischen Strom praktisch nicht leiten (Isolatoren oder Dielektrika).

Halbleiter zeichnen sich durch eine starke Abhängigkeit ihrer Eigenschaften und Charakteristika von den mikroskopischen Mengen an enthaltenen Verunreinigungen aus. Indem Sie die Menge an Verunreinigungen in einem Halbleiter von zehn Millionstel Prozent auf 0,1–1 % ändern, können Sie deren Leitfähigkeit um das Millionenfache ändern. Eine weitere wichtige Eigenschaft von Halbleitern besteht darin, dass elektrischer Strom nicht nur von negativen Ladungen – Elektronen, sondern auch von positiven Ladungen gleicher Größe – Löchern – in sie geleitet wird.

Betrachten wir einen idealisierten Halbleiterkristall, der absolut frei von jeglichen Verunreinigungen ist, dann wird seine Fähigkeit, elektrischen Strom zu leiten, durch die sogenannte intrinsische elektrische Leitfähigkeit bestimmt.

Atome in einem Halbleiterkristall werden durch Elektronen in der äußeren Elektronenhülle miteinander verbunden. Bei thermischen Schwingungen von Atomen wird die Wärmeenergie ungleichmäßig zwischen den Elektronen verteilt, die Bindungen bilden. Einzelne Elektronen können genügend thermische Energie erhalten, um sich von ihrem Atom zu „lösen“ und sich frei im Kristall zu bewegen, d. h. zu potenziellen Stromträgern zu werden (mit anderen Worten, sie bewegen sich in das Leitungsband). Ein solcher Elektronenabgang verletzt die elektrische Neutralität des Atoms; es erhält eine positive Ladung, die der Ladung des abgeschiedenen Elektrons entspricht. Dieser freie Raum wird Loch genannt.

Da die freie Stelle durch ein Elektron aus einer benachbarten Bindung besetzt werden kann, kann sich das Loch auch innerhalb des Kristalls bewegen und zum positiven Stromträger werden. Unter diesen Bedingungen treten natürlicherweise Elektronen und Löcher in gleichen Mengen auf, und die elektrische Leitfähigkeit eines solchen idealen Kristalls wird gleichermaßen durch positive und negative Ladungen bestimmt.

Wenn wir anstelle eines Atoms des Haupthalbleiters ein Verunreinigungsatom platzieren, dessen äußere Elektronenhülle ein Elektron mehr enthält als das Atom des Haupthalbleiters, dann erweist sich ein solches Elektron als überflüssig, unnötig für die Bildung von interatomare Bindungen im Kristall und schwach mit seinem Atom verbunden. Zehnmal weniger Energie reicht aus, um es von seinem Atom zu lösen und in ein freies Elektron umzuwandeln. Solche Verunreinigungen werden Donor genannt, d. h. sie geben ein „zusätzliches“ Elektron ab. Das Verunreinigungsatom ist natürlich positiv geladen, aber es erscheint kein Loch, da ein Loch nur eine Elektronenlücke in einer ungefüllten interatomaren Bindung sein kann und in diesem Fall alle Bindungen gefüllt sind. Diese positive Ladung bleibt bewegungslos mit ihrem Atom verbunden und kann daher nicht am Prozess der elektrischen Leitfähigkeit teilnehmen.

Das Einbringen von Verunreinigungen in einen Halbleiter, dessen äußere Elektronenhülle weniger Elektronen enthält als in den Atomen der Grundsubstanz, führt zum Auftreten ungefüllter Bindungen, also Löcher. Wie oben erwähnt, kann diese Lücke durch ein Elektron aus einer benachbarten Bindung besetzt werden, und das Loch kann sich frei im Kristall bewegen. Mit anderen Worten: Die Bewegung eines Lochs ist ein sequenzieller Übergang von Elektronen von einer benachbarten Bindung zur anderen. Solche Verunreinigungen, die ein Elektron „aufnehmen“, werden Akzeptor-Verunreinigungen genannt.

Wird an die metallisch-dielektrische Halbleiterstruktur vom n-Typ eine Spannung (wie im Polaritätsdiagramm angegeben) angelegt, entsteht in der oberflächennahen Schicht des Halbleiters ein elektrisches Feld, das Elektronen abstößt. Es stellt sich heraus, dass diese Schicht erschöpft ist.

In einem Halbleiter vom p-Typ, in dem die Mehrheitsträger positive Ladungen – Löcher – sind, zieht die Polarität der Spannung, die Elektronen abstößt, Löcher an und erzeugt eine angereicherte Schicht mit verringertem Widerstand. Eine Änderung der Polarität führt in diesem Fall zur Abstoßung von Löchern und zur Bildung einer oberflächennahen Schicht mit erhöhtem Widerstand.

Mit zunehmender Menge an Verunreinigungen der einen oder anderen Art beginnt die elektrische Leitfähigkeit des Kristalls einen immer ausgeprägteren elektronischen oder Lochcharakter anzunehmen. In Übereinstimmung mit den Anfangsbuchstaben der lateinischen Wörter negativus und positivus wird die elektronische elektrische Leitfähigkeit als elektrische Leitfähigkeit vom n-Typ und die Lochleitfähigkeit als p-Typ bezeichnet, was angibt, welcher Typ mobiler Ladungsträger für einen bestimmten Halbleiter der Haupttyp ist und welches das kleinere ist.

Bei elektrischer Leitfähigkeit aufgrund des Vorhandenseins von Verunreinigungen (d. h. Verunreinigung) verbleiben im Kristall noch zwei Arten von Trägern: die Hauptträger, die hauptsächlich durch die Einführung von Verunreinigungen in den Halbleiter entstehen, und die Minderheitsträger, die verdanken ihr Aussehen der thermischen Anregung. Der Gehalt an Elektronen n und Löchern p in 1 cm 3 (Konzentration) für einen gegebenen Halbleiter bei einer gegebenen Temperatur ist ein konstanter Wert: n − p = const. Dies bedeutet, dass wir die Konzentration von Trägern eines anderen Typs um den gleichen Betrag verringern, indem wir die Konzentration von Trägern eines bestimmten Typs aufgrund der Einführung von Verunreinigungen um ein Vielfaches erhöhen. Die nächste wichtige Eigenschaft von Halbleitern ist ihre starke Empfindlichkeit gegenüber Temperatur und Strahlung. Mit steigender Temperatur steigt die durchschnittliche Schwingungsenergie der Atome im Kristall und es werden immer mehr Bindungen aufgebrochen. Es entstehen immer mehr Elektronen-Loch-Paare. Bei ausreichend hohen Temperaturen kann die intrinsische (Wärme-)Leitfähigkeit der Verunreinigungsleitfähigkeit entsprechen oder diese sogar deutlich übertreffen. Je höher die Konzentration der Verunreinigungen ist, desto höher ist die Temperatur, in der dieser Effekt auftritt.

Bindungen können auch durch Bestrahlung des Halbleiters, beispielsweise mit Licht, aufgebrochen werden, wenn die Energie der Lichtquanten ausreicht, um die Bindungen aufzubrechen. Die Energie zum Aufbrechen von Bindungen ist bei verschiedenen Halbleitern unterschiedlich, sodass sie unterschiedlich auf bestimmte Teile des Strahlungsspektrums reagieren.

Als Haupthalbleitermaterialien werden Silizium- und Germaniumkristalle verwendet, als Verunreinigungen werden Bor, Phosphor, Indium, Arsen, Antimon und viele andere Elemente verwendet, die Halbleitern die notwendigen Eigenschaften verleihen. Die Herstellung von Halbleiterkristallen mit einem bestimmten Gehalt an Verunreinigungen ist ein komplexer technologischer Prozess, der unter besonders sauberen Bedingungen mit hochpräzisen und komplexen Geräten durchgeführt wird.

Alle aufgeführten wichtigsten Eigenschaften von Halbleitern werden genutzt, um Halbleiterbauelemente zu schaffen, die in ihren Zwecken und Anwendungsbereichen sehr unterschiedlich sind. Dioden, Transistoren, Thyristoren und viele andere Halbleiterbauelemente werden in der Technik häufig eingesetzt. Der Einsatz von Halbleitern begann erst vor relativ kurzer Zeit, und heute ist es schwierig, alle ihre „Berufe“ aufzuzählen. Sie wandeln Licht- und Wärmeenergie in elektrische Energie um und erzeugen umgekehrt mit Strom Wärme und Kälte (siehe Solarenergie). Halbleiterbauelemente finden sich in einem herkömmlichen Radioempfänger und in einem Quantengenerator – einem Laser –, in einer winzigen Atombatterie und in Miniaturblöcken eines elektronischen Computers. Auf Halbleitergleichrichter, -schalter und -verstärker können Ingenieure heute nicht mehr verzichten. Der Ersatz von Röhrengeräten durch Halbleitergeräte hat es ermöglicht, die Größe und das Gewicht elektronischer Geräte um das Zehnfache zu reduzieren, ihren Stromverbrauch zu senken und die Zuverlässigkeit drastisch zu erhöhen.

Dies können Sie im Artikel Mikroelektronik nachlesen.

In diesem Artikel gibt es nichts besonders Wichtiges oder Interessantes, sondern nur eine Antwort auf eine einfache Frage für „Dummköpfe“: Was sind die Haupteigenschaften, die Halbleiter von Metallen und Dielektrika unterscheiden?

Halbleiter sind Materialien (Kristalle, polykristalline und amorphe Materialien, Elemente oder Verbindungen) mit einer Bandlücke (zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband).

Elektronische Halbleiter sind Kristalle und amorphe Stoffe, die hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit eine Zwischenstellung zwischen Metallen (σ = 10 4 ÷10 6 Ohm -1 cm -1) und Dielektrika (σ = 10 -10 ÷10 -20 Ohm -) einnehmen. 1 cm -1). Allerdings sind die angegebenen Grenzwerte der Leitfähigkeit sehr willkürlich.

Die Bandentheorie ermöglicht es, ein Kriterium zu formulieren, das die Einteilung von Festkörpern in zwei Klassen ermöglicht – Metalle und Halbleiter (Isolatoren). Metalle zeichnen sich durch das Vorhandensein freier Niveaus im Valenzband aus, in die sich Elektronen bewegen können und beispielsweise durch Beschleunigung in einem elektrischen Feld zusätzliche Energie erhalten. Ein besonderes Merkmal von Metallen ist, dass sie in ihrem unerregten Grundzustand (bei 0 K) Leitungselektronen besitzen, d. h. Elektronen, die unter dem Einfluss eines externen elektrischen Feldes an einer geordneten Bewegung teilnehmen.

In Halbleitern und Isolatoren ist bei 0 K das Valenzband vollständig besetzt, das Leitungsband ist durch eine Bandlücke davon getrennt und enthält keine Träger. Daher ist ein nicht zu starkes elektrisches Feld nicht in der Lage, die im Valenzband befindlichen Elektronen zu verstärken und in das Leitungsband zu übertragen. Mit anderen Worten: Solche Kristalle sollten bei 0 K ideale Isolatoren sein. Wenn die Temperatur steigt oder ein solcher Kristall bestrahlt wird, können Elektronen Quanten thermischer oder Strahlungsenergie absorbieren, die ausreichen, um in das Leitungsband zu gelangen. Bei diesem Übergang entstehen Löcher im Valenzband, die ebenfalls an der Stromübertragung beteiligt sein können. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektron vom Valenzband in das Leitungsband übergeht, ist proportional zu ( -EG/ kT), Wo EG - Breite der verbotenen Zone. Mit einem großen Wert EG (2-3 eV) erweist sich diese Wahrscheinlichkeit als sehr gering.

Somit hat die Einteilung der Stoffe in Metalle und Nichtmetalle eine ganz bestimmte Grundlage. Im Gegensatz dazu hat die Einteilung der Nichtmetalle in Halbleiter und Dielektrika keine solche Grundlage und ist rein bedingt.

Bisher ging man davon aus, dass Stoffe mit einer Bandlücke als Dielektrika klassifiziert werden könnten EG≈ 2÷3 eV, aber später stellte sich heraus, dass viele von ihnen typische Halbleiter sind. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass je nach Konzentration der Verunreinigungen oder überschüssiger (über der stöchiometrischen Zusammensetzung liegender) Atome einer der Komponenten derselbe Kristall sowohl ein Halbleiter als auch ein Isolator sein kann. Dies gilt beispielsweise für Kristalle aus Diamant, Zinkoxid, Galliumnitrid usw. Sogar typische Dielektrika wie Barium- und Strontiumtitanate sowie Rutil erhalten bei teilweiser Reduktion die Eigenschaften von Halbleitern, was mit dem Auftreten überschüssiger Metallatome in ihnen verbunden ist.

Auch die Einteilung der Nichtmetalle in Halbleiter und Dielektrika hat eine gewisse Bedeutung, da eine Reihe von Kristallen bekannt sind, deren elektronische Leitfähigkeit weder durch Einbringen von Verunreinigungen noch durch Beleuchtung oder Erwärmung merklich erhöht werden kann. Dies liegt entweder an der sehr kurzen Lebensdauer von Photoelektronen oder an der Existenz tiefer Fallen in Kristallen oder an der sehr geringen Mobilität der Elektronen, d. h. mit einer extrem geringen Driftgeschwindigkeit in einem elektrischen Feld.

Die elektrische Leitfähigkeit ist proportional zur Konzentration n, der Ladung e und der Beweglichkeit der Ladungsträger. Daher wird die Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit verschiedener Materialien durch die Temperaturabhängigkeiten der angegebenen Parameter bestimmt. Für alle elektronischen Leiter kostenlos e konstant und unabhängig von der Temperatur. In den meisten Materialien nimmt der Mobilitätswert mit zunehmender Temperatur normalerweise leicht ab, da die Intensität der Kollisionen zwischen sich bewegenden Elektronen und Phononen zunimmt, d. h. aufgrund der Elektronenstreuung durch Schwingungen des Kristallgitters. Das unterschiedliche Verhalten von Metallen, Halbleitern und Dielektrika hängt daher hauptsächlich mit der Ladungsträgerkonzentration und deren Temperaturabhängigkeit zusammen:

1) In Metallen ist die Konzentration der Ladungsträger n hoch und ändert sich geringfügig bei Temperaturänderungen. Die in der Gleichung für die elektrische Leitfähigkeit enthaltene Variable ist die Mobilität. Und da die Mobilität mit der Temperatur leicht abnimmt, nimmt auch die elektrische Leitfähigkeit ab;

2) in Halbleitern und Dielektrika N steigt normalerweise exponentiell mit der Temperatur an. Dieses rasante Wachstum N leistet den größten Beitrag zu Veränderungen der Leitfähigkeit als eine Abnahme der Mobilität. Daher steigt die elektrische Leitfähigkeit mit steigender Temperatur schnell an. In diesem Sinne können Dielektrika als gewisser Grenzfall betrachtet werden, da bei normalen Temperaturen der Wert N in diesen Substanzen ist äußerst gering. Bei hohen Temperaturen erreicht die Leitfähigkeit einzelner Dielektrika durch einen Anstieg das Halbleiterniveau N. Auch das Gegenteil ist zu beobachten: Bei niedrigen Temperaturen werden manche Halbleiter zu Isolatoren.

Referenzliste

1. West A. Chemie der Feststoffe. Teil 2 Pro. aus dem Englischen - M.: Mir, 1988. - 336 S.
2. Moderne Kristallographie. T.4. Physikalische Eigenschaften von Kristallen. - M.: Nauka, 1981.

Studierende der Gruppe 501 der Fakultät für Chemie: Bezzubov S.I., Vorobyova N.A., Efimov A.A.