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반도체 물질. 반도체 - 물리학 통합 국가 시험 준비를 위한 자료

전기 전도체와 함께 자연에는 금속 전도체보다 전기 전도성이 현저히 낮은 물질이 많이 있습니다. 이런 종류의 물질을 반도체라고 합니다.

반도체에는 셀레늄, 실리콘, 게르마늄과 같은 일부 화학 원소, 황화 탈륨, 황화 카드뮴, 황화은, 카보런덤과 같은 탄화물과 같은 황 화합물,탄소(다이아몬드),붕소, 회색 주석, 인, 안티몬, 비소, 텔루르, 요오드 및 주기율표의 4~7족 원소 중 적어도 하나를 포함하는 여러 화합물. 유기반도체도 있습니다.

반도체의 전기 전도성 특성은 반도체 기본 재료에 존재하는 불순물의 유형과 해당 부품의 제조 기술에 따라 달라집니다.

반도체는 10 -10 - 10 4 (ohm x cm) -1의 물질로, 이러한 특성에 따라 도체와 절연체 사이에 있습니다. 밴드 이론에 따른 도체, 반도체 및 절연체의 차이점은 다음과 같습니다. 순수 반도체와 전자 절연체에서는 채워진 밴드(원가)와 전도 밴드 사이에 에너지 갭이 있습니다.

반도체는 왜 전류를 전도합니까?

불순물 원자의 외부 전자가 이러한 원자의 핵에 상대적으로 약하게 결합되어 있으면 반도체는 전자 전도성을 갖습니다. 이러한 종류의 반도체에 전기장이 생성되면 이 장의 힘의 영향을 받아 반도체 불순물 원자의 외부 전자가 원자의 경계를 벗어나 자유 전자로 변합니다.

자유 전자는 전계력의 영향을 받아 반도체에 전기 전도 전류를 생성합니다. 결과적으로, 전자 전도성을 갖는 반도체의 전류 특성은 금속 도체의 전류 특성과 동일합니다. 그러나 금속 도체의 단위 부피보다 반도체의 단위 부피에 있는 자유 전자의 수가 몇 배 더 적기 때문에, 다른 모든 동일한 조건에서 반도체의 전류는 금속 전도체의 전류보다 몇 배 더 적습니다. 금속 지휘자.

반도체의 불순물 원자가 외부 전자를 포기하지 않을 뿐만 아니라 반대로 반도체 주요 물질의 원자에서 전자를 포획하는 경향이 있는 경우 반도체는 "정공" 전도성을 갖습니다. 불순물 원자가 주물질의 원자로부터 전자를 취하면 후자에는 전자를 위한 자유 공간, 즉 "정공"이 형성됩니다.

전자를 잃은 반도체 원자를 '전자 정공' 또는 간단히 '정공'이라고 합니다. "정공"이 이웃 원자로부터 전달된 전자로 채워지면, 이는 제거되어 원자는 전기적으로 중성이 되고, "정공"은 전자를 잃은 이웃 원자로 옮겨집니다. 결과적으로, "정공" 전도성을 갖는 반도체가 전기장에 노출되면 "전자정공"은 이 전기장의 방향으로 이동합니다.

편견 전기장 방향의 "전자 정공"은 전기장에서 양전하의 이동과 유사하므로 반도체의 전류 현상을 나타냅니다.

반도체는 전기 전도성의 메커니즘으로 엄격하게 구별할 수 없습니다."정공" 전도성을 사용하면 특정 반도체가 어느 정도 전자 전도성도 가질 수 있습니다.

반도체의 특징은 다음과 같습니다.

전도성 유형(전자 - n형, 홀 - p형)

저항률;

전하 캐리어의 수명(소수) 또는 확산 길이, 표면 재결합 속도;

전위 밀도.

실리콘은 가장 일반적인 반도체 재료이다.

온도는 반도체의 특성에 큰 영향을 미칩니다. 그것의 증가는 주로 저항률의 감소로 이어지고 그 반대도 마찬가지입니다. 즉, 반도체는 음의 존재를 특징으로합니다. . 절대 영도 근처에서는 반도체가 절연체가 됩니다.

반도체는 많은 장치의 기초입니다. 대부분의 경우 단결정 형태로 얻어야 합니다. 특정 특성을 부여하기 위해 반도체에는 다양한 불순물이 도핑됩니다. 반도체 원료의 순도에 대한 요구가 높아지고 있습니다.

반도체는 현대 기술에서 가장 폭넓게 응용되었으며 기술 발전에 매우 강력한 영향을 미쳤습니다. 덕분에 전자 장치의 무게와 크기를 크게 줄일 수 있습니다. 전자공학의 모든 분야의 발전은 반도체 소자를 기반으로 한 수많은 다양한 장비의 탄생과 개량으로 이어집니다. 반도체 장치는 마이크로셀, 마이크로모듈, 고체 회로 등의 기초 역할을 합니다.

반도체 장치를 기반으로 하는 전자 장치는 실질적으로 관성이 없습니다. 세심하게 제작되고 잘 밀봉된 반도체 장치는 수만 시간 동안 지속될 수 있습니다. 그러나 일부 반도체 재료는 온도 한계가 낮지만(예: 게르마늄) 온도 보상이 그리 복잡하지 않거나 장치의 주요 재료를 다른 재료(예: 실리콘, 탄화규소)로 교체하면 이러한 단점이 크게 해소됩니다. 반도체 소자 제조 기술이 향상되면 기존 매개변수의 분산과 불안정성이 줄어듭니다.

반도체에서 생성되는 반도체-금속 접촉과 전자-정공 접합(n-p 접합)은 반도체 다이오드 제조에 사용됩니다. 이중 접합(p-n-p 또는 n-p-n) - 트랜지스터 및 사이리스터. 이 장치는 주로 전기 신호를 정류, 생성 및 증폭하는 데 사용됩니다.

반도체의 광전 특성을 바탕으로 포토레지스터, 포토다이오드, 포토트랜지스터가 만들어집니다. 반도체는 발진 발생기(증폭기)의 활성 부분 역할을 합니다. pn 접합을 통해 순방향으로 전류가 흐르면 전하 캐리어(전자와 정공)가 LED를 생성하는 데 사용되는 광자의 방출과 재결합합니다.

반도체의 열전 특성으로 인해 반도체 열 저항, 반도체 열전소자, 열전퇴 및 열전 발전기, 그리고 펠티에 효과를 기반으로 한 반도체의 열전 냉각, 즉 열전 냉장고 및 열안정화 장치를 만드는 것이 가능해졌습니다.

반도체는 기계 없이 열 에너지와 태양 에너지를 전기로 변환하는 장치(열전 발전기 및 광전 변환기(태양 전지))에 사용됩니다.

반도체에 기계적 응력이 가해지면 반도체 스트레인 게이지의 기본이 되는 전기 저항(금속보다 그 효과가 더 강함)이 변경됩니다.

반도체 장치는 전 세계적으로 널리 보급되어 전자 제품에 혁명을 일으키고 다음 제품의 개발 및 생산을 위한 기초 역할을 합니다.

측정 장비, 컴퓨터,

모든 유형의 통신 및 운송을 위한 장비,

산업 프로세스 자동화를 위한

과학 연구용 장치,

로켓 기술,

의료 장비

기타 전자 장치 및 악기.

반도체 장치를 사용하면 새로운 장비를 만들고 기존 장비를 개선할 수 있습니다. 이는 크기, 무게, 전력 소비가 감소하여 회로의 열 발생이 감소하고 강도가 증가하며 즉각적인 조치 준비가 가능함을 의미합니다. , 전자 장치의 서비스 수명과 신뢰성을 높일 수 있습니다.

역사정보

특수한 종류의 물질인 반도체는 19세기 말부터 알려져 왔으며, 고체 이론의 발전을 통해서만 발견되기 오래 전에 그 특징을 이해할 수 있었습니다.

1. 금속-반도체 접점에서의 전류 정류 효과

2. 광전도성.

이를 기반으로 한 최초의 장치가 제작되었습니다.

O. V. Losev(1923)는 진동(수정 검출기)을 증폭하고 생성하기 위해 반도체-금속 접촉을 사용할 가능성을 입증했습니다. 그러나 이후 몇 년 동안 수정 탐지기가 전자관으로 대체되었고, 1950년대 초반에야 트랜지스터가 발견되면서(USA 1949) 반도체(주로 무선 전자 장치의 게르마늄과 실리콘)가 널리 사용되기 시작했습니다. 동시에, 반도체의 특성에 대한 집중적인 연구가 시작되었으며, 이는 결정을 세척하고 도핑(반도체에 특정 불순물을 도입하는) 방법의 개선으로 촉진되었습니다.

소련에서는 A.F.의 지도력 하에 20년대 후반부터 반도체 연구가 시작되었습니다. 소련 과학 아카데미 물리 기술 연구소의 Ioffe.

반도체에서 유도 방출이 발견되면서 반도체의 광학적 특성에 대한 관심이 높아졌습니다. 이로 인해 처음에는 p-n 접합에서, 그다음에는 이종접합에서 반도체 레이저가 생성되었습니다.

최근에는 반도체의 작용을 기반으로 한 장치가 더욱 널리 보급되었습니다. 이러한 물질은 비교적 최근에 연구되기 시작했지만 현대 전자 제품, 의학, 기타 많은 과학은 이들 물질 없이는 할 수 없습니다.

반도체의 성질

반도체- 금속의 특정 전기 전도도와 양호한 유전체 사이의 범위에 있는 특정 전기 전도도 d 값을 특징으로 하는 광범위한 종류의 물질, 즉 이러한 물질은 유전체로 분류될 수 없습니다(좋지 않기 때문에). 절연체) 또는 금속(전류의 좋은 전도체가 아님). 예를 들어, 반도체에는 게르마늄, 실리콘, 셀레늄, 텔루르와 같은 물질뿐만 아니라 일부 산화물, 황화물 및 금속 합금도 포함됩니다.

반도체는 오랫동안 과학자와 엔지니어들로부터 큰 관심을 끌지 못했습니다. 반도체의 물리적 특성에 대한 체계적인 연구를 시작한 최초의 사람 중 한 명은 뛰어난 소련 물리학자 Abram Fedorovich Ioffe였습니다. 그는 반도체가 많은 놀라운 특성을 지닌 특별한 종류의 결정이라는 사실을 발견했습니다.

1) 온도가 증가함에 따라 반도체의 저항은 감소합니다. 반면 금속의 저항은 온도가 증가함에 따라 증가합니다. 또한 일반적으로 넓은 온도 범위에서 이러한 증가는 기하급수적으로 발생합니다.

d = dо ∙ exp. (-개/kT)

여기서 ea는 소위 전도 활성화 에너지이고,

d® - 온도에 따른 계수

빛이나 강한 전자장에 노출되면 반도체 결정의 저항도 감소할 수 있습니다.

2) 두 반도체 접촉의 단방향 전도성 특성. 다이오드, 트랜지스터, 사이리스터 등 다양한 반도체 장치를 만드는 데 사용되는 것이 바로 이 속성입니다.

3) 빛을 비추거나 가열할 때 특정 조건에서 다양한 반도체의 접점이 광전자의 소스입니다. d.s. 또는 그에 따라 thermo-e. d.s.

반도체의 구조와 작동원리.

이미 언급했듯이 반도체는 특별한 종류의 결정체입니다. 원자가 전자는 그림 1에 개략적으로 표시된 것처럼 규칙적인 공유 결합을 형성합니다. 이러한 이상적인 반도체는 (조명 및 방사선 노출이 없는 경우) 전류를 전혀 전도하지 않습니다.

부도체와 마찬가지로 반도체의 전자도 원자에 결합되어 있지만 이 결합은 매우 약합니다. 온도가 올라가면서

(T>0 K), 조명 또는 조사 하에서 전자 결합이 깨져 원자에서 전자가 분리될 수 있습니다(그림 2). 이러한 전자는 전류 운반체입니다. 반도체의 온도가 높을수록 전도 전자의 농도가 높아지므로 저항률은 낮아집니다. 따라서 가열시 반도체의 저항이 감소하는 것은 전류 캐리어의 농도가 증가하기 때문입니다.

도체와 달리 반도체 물질의 전류 운반체는 전자일 뿐만 아니라 "정공"일 수도 있습니다. 반도체 원자 중 하나가 전자를 잃으면 궤도에 빈 공간인 "정공"이 남습니다. 전기장이 결정에 가해지면 양전하인 "정공"이 벡터 E쪽으로 이동합니다. 이는 실제로 발생합니다. 일부 유대가 끊어지고 다른 유대가 회복됩니다. "정공"은 일반적으로 양전하를 운반하는 입자로 간주될 수 있습니다.

불순물 전도성 .

동일한 반도체는 다음 중 하나를 갖습니다. 전자,또는 구멍전도도 - 이는 유입된 불순물의 화학적 조성에 따라 달라집니다. 불순물은 반도체의 전기 전도성에 큰 영향을 미칩니다.

예를 들어, 불순물의 1/1000%는 수십만 배일 수 있습니다.

저항을 줄이세요. 이러한 사실은 한편으로는 반도체의 특성이 변할 가능성이 있음을 의미하며, 다른 한편으로는 특정 특성을 지닌 반도체 재료를 제조하는 기술의 어려움을 나타냅니다.

불순물이 반도체의 전기 전도도에 미치는 영향 메커니즘을 고려할 때 다음 두 가지 경우를 고려해야 합니다.

전자 전도성 .

게르마늄에 비소, 안티몬 등 전자가 풍부한 불순물을 첨가하면 전자 전도성 또는 n형 반도체(라틴어 "negativus" - "negative"에서 유래).

그림에서. 그림 3a는 0K에서의 전자 결합 사진을 개략적으로 보여줍니다. 비소의 원자가 전자 중 하나는 다른 원자와의 결합에 참여하지 않습니다. 온도가 증가함에 따라 전자는 원자에서 분리되어(그림 3b 참조) 전자 전도성을 생성할 수 있습니다.

이러한 전기 전도성을 생성하는 불순물을 도너라고 합니다.

홀 전도성

동일한 게르마늄에 알루미늄, 갈륨 또는 인듐을 첨가하면 결정에 과도한 구멍이 생성됩니다. 그러면 반도체는 정공 전도성 - p형 반도체.

정공 불순물 전기 전도성은 주 원자보다 원자가 전자가 적은 원자에 의해 생성됩니다. 그림에서. 그림 4는 게르마늄과 붕소 불순물의 전자적 연결을 개략적으로 보여줍니다. 0K에서는 모든 결합이 완전하고 붕소에만 결합 하나가 부족합니다(그림 4a 참조). 그러나 온도가 증가함에 따라 붕소는 이웃 원자의 전자를 희생하여 결합을 포화시킬 수 있습니다(그림 4b 참조).

이러한 불순물을 수용체 불순물이라고 합니다.

액체 반도체

많은 결정질 반도체가 녹으면 전기 전도도 Q가 금속의 일반적인 값으로 급격히 증가합니다(그림 5a 참조). 그러나 많은 반도체(예: HgSe, HgTe 등)는 용융 중 Q의 보존 또는 감소를 특징으로 하며 반도체는 Q의 온도 의존성 특성을 유지합니다(그림 5b 참조). 일부 액체 반도체는 온도가 더욱 상승하면 반도체 특성을 잃고 금속 특성을 얻습니다(예: Te-Se 합금 및 Te 합금). Se가 풍부한 Te-Se 합금은 다르게 동작하며 전기 전도도는 본질적으로 순전히 반도체입니다.

액체 반도체에서 밴드 갭의 역할은 전자의 에너지 스펙트럼에서 최소 상태 밀도 근처의 에너지 영역에서 수행됩니다.

최소값이 충분히 깊다면 이동도가 낮은 전하 캐리어의 거의 국부적인 상태(유사 갭)가 근처에 나타납니다. 온도가 증가함에 따라 유사갭이 "붕괴"되면 액체 반도체는 금속으로 변합니다.

반도체의 사용.

기술 분야에서 가장 중요한 반도체 장치인 다이오드, 트랜지스터, 사이리스터는 전자 또는 정공 전도성을 지닌 뛰어난 재료의 사용을 기반으로 합니다.

반도체의 광범위한 사용은 비교적 최근에 시작되어 이제는 매우 널리 사용됩니다. 빛과 열 에너지를 전기 에너지로 변환하고, 반대로 전기를 사용하여 열과 냉기를 생성합니다. 반도체 장치는 기존의 라디오 수신기와 양자 발생기(레이저, 작은 원자 배터리 및 마이크로프로세서)에서 찾을 수 있습니다.

엔지니어는 반도체 정류기 없이는 할 수 없습니다.

스위치와 증폭기. 진공관 장비를 반도체 장비로 교체함으로써 전자기기의 크기와 무게를 10배로 줄이고 전력 소모를 줄이며 신뢰성을 획기적으로 높일 수 있게 되었습니다.

반도체는 기술 분야에서 널리 사용됩니다. 반도체 다이오드의 작용은 서로 다른 전도성(p형 및 n형)에 기초합니다. p- 및 n- 전도성을 갖는 반도체가 특정 전류 방향과 접촉하면 회로에 장벽 층이 생성됩니다 (그림 19.4). 이중 전기 층은 전계가 전하 캐리어의 이동을 방지합니다. 이것이 교류를 정류하는 역할을 하는 반도체 다이오드의 작용의 기초입니다. 셀레늄 정류기는 널리 보급된 최초의 제품 중 하나였습니다.

다이오드 외에도 반도체 삼극관은 무선 공학, 즉 p-n-p 또는 n-p-n이라는 두 개의 p-n 접합이 있는 트랜지스터에도 널리 사용됩니다.

반도체의 강한 온도 의존성은 온도 측정을 위한 매우 민감한 장치인 서미스터에 사용됩니다.

반도체의 많은 응용 분야 중에는 태양 전지도 있는데, 그 작동은 반도체의 광전도성, 즉 빛의 영향으로 저항을 변화시키는 능력(고형 물질 내에서 완전히 발생하는 광전 효과와 유사한 현상)을 기반으로 합니다. .

자기력

물질의 자기적 특성은 고대부터 알려져 왔습니다. 고대 과학자들은 철을 끌어당기는 돌로 묘사한 이 돌은 자연에서 자주 발견되는 광물인 천연 자석입니다. 철 화합물(FeO - 31% 및 Fe 2 O 3 - 69%)로 구성됩니다. 이미 1600년에 V. Gilbert의 작품 "On the Magnet, Magnetic Bodys and the Great Magnet of the Earth"가 출판되었는데, 여기에는 많은 실험적 사실의 일반화가 포함되어 있습니다. 주요 내용은 다음과 같았습니다.

1) 자석에는 속성이 다른 북극과 남쪽의 두 극이 있습니다.

2) 극이 끌어당기는 것과는 달리 극이 밀어내는 것과 같습니다.

3) 자침은 북쪽에서 남쪽을 가리키는 특정 방식으로 공간에 위치합니다.

4) 한 극을 가진 자석을 얻는 것은 불가능합니다.

5) 지구는 큰 자석이다.

자기 현상의 본질은 전류(이동 전하)가 자기장을 생성한다는 실험적 사실이 19세기에 확립된 후에야 밝혀졌습니다(R. Erstad, 1820).그 결과 도체와 전류의 상호 작용에 대한 연구가 이루어졌습니다. 그 중 같은 방향의 평행 전류는 끌어당겨지고 반대 전류는 밀어내는 것으로 밝혀졌습니다(J.Amper, I820). 이는 움직이는 전하 사이의 상호 작용 힘이 고정 전하 사이의 상호 작용 힘과 다르다는 결론을 내렸습니다. .

움직이는 전하 사이에서 발생하는 추가 힘을 자기력이라고 합니다. 이는 자기 바늘에 전류가 미치는 영향으로 발견되었기 때문입니다.

따라서 모든 자기 교란은 전기 교란으로 축소될 수 있으며, 아인슈타인이 보여준 것처럼 자기력은 쿨롱의 법칙에 대한 상대론적 수정입니다.

도체에는 전류가 없지만 도체 사이에는 상호 작용력이 발생하지 않습니다. 금속 결정 격자 이온의 양전하와 전자의 음전하는 고르게 분포되어 있으며 도체 내부의 총 전하는 0입니다. 전류가 존재하면 전자의 이동으로 인해 전자 사이의 평균 거리가 한 요소만큼 감소합니다.

V는 전자의 표류 속도입니다. 결과적으로 전자 전하 밀도는 2배 증가하므로 결과적인 전하는 0이 되지 않습니다. 이는 지휘자의 상호 작용으로 이어집니다.

p-n-접합의 주요 특성 중 하나는 전류를 한 방향(순방향)으로 역방향보다 수천, 수백만 배 더 잘 전달하는 능력입니다.

반도체는 전류를 잘 전도하는 물질(도체, 주로 금속)과 실제로 전류를 전도하지 않는 물질(절연체 또는 유전체) 사이의 중간 위치를 차지하는 물질의 종류입니다.

반도체는 포함된 미세한 양의 불순물에 대한 특성과 특성이 크게 의존하는 것이 특징입니다. 반도체의 불순물 양을 천만분의 1%에서 0.1~1%로 변경하면 전도성을 수백만 배까지 변경할 수 있습니다. 반도체의 또 다른 중요한 특성은 음전하(전자)뿐만 아니라 동일한 크기의 양전하(정공)에 의해서도 전류가 반도체 안으로 전달된다는 것입니다.

불순물이 전혀 없는 이상적인 반도체 결정을 고려하면 전류 전도 능력은 소위 고유 전기 전도도에 의해 결정됩니다.

반도체 결정의 원자는 외부 전자 껍질의 전자를 사용하여 서로 연결됩니다. 원자의 열 진동 중에 결합을 형성하는 전자 사이에 열 에너지가 고르지 않게 분포됩니다. 개별 전자는 원자로부터 "분리"될 만큼 충분한 열 에너지를 받을 수 있으며 결정 내에서 자유롭게 이동할 수 있습니다. 즉, 잠재적인 전류 운반자가 될 수 있습니다(즉, 전도대로 이동합니다). 이러한 전자 이탈은 원자의 전기적 중성을 위반하며, 이탈된 전자의 전하와 동일한 양의 전하를 얻습니다. 이 빈 공간을 구멍이라고 합니다.

빈 자리는 인접한 결합의 전자가 차지할 수 있으므로 정공도 결정 내부로 이동하여 양의 전류 전달자가 될 수 있습니다. 당연히 이러한 조건에서 전자와 정공은 동일한 양으로 나타나며 이러한 이상적인 결정의 전기 전도도는 양전하와 음전하 모두에 의해 동일하게 결정됩니다.

주 반도체의 원자 대신에 불순물 원자를 배치하면 외부 전자 껍질에 주 반도체 원자보다 전자가 하나 더 많이 포함되어 있으며, 그러한 전자는 불필요한 것으로 판명되어 다음을 형성하는 데 필요하지 않습니다. 결정의 원자 간 결합은 원자와 약하게 연결되어 있습니다. 수십 배 적은 에너지만으로도 원자에서 분리되어 자유 전자로 변할 수 있습니다. 이러한 불순물을 도너라고 합니다. 즉, "추가" 전자를 기증하는 것입니다. 물론 불순물 원자는 양전하를 띠지만 구멍은 나타나지 않습니다. 왜냐하면 구멍은 채워지지 않은 원자간 결합의 전자 공석일 수 있고 이 경우 모든 결합이 채워지기 때문입니다. 이 양전하는 원자와 결합되어 움직이지 않고 유지되므로 전기 전도 과정에 참여할 수 없습니다.

외부 전자 껍질에 주 물질의 원자보다 전자 수가 적은 반도체에 불순물이 도입되면 채워지지 않은 결합, 즉 구멍이 나타납니다. 위에서 언급한 바와 같이, 이 빈 공간은 이웃 결합의 전자에 의해 채워질 수 있으며 정공은 결정 전체에서 자유롭게 이동할 수 있습니다. 즉, 정공의 이동은 인접한 하나의 결합에서 다른 결합으로 전자가 순차적으로 전이되는 것입니다. 전자를 "수용"하는 이러한 불순물을 수용체 불순물이라고 합니다.

n형 금속-유전체 반도체 구조에 전압(극성 그림에 표시된 대로)이 가해지면 반도체 표면 근처에 전기장이 발생하여 전자를 밀어냅니다. 이 레이어는 고갈된 것으로 나타났습니다.

다수 캐리어가 양전하인 정공인 p형 반도체에서는 전자를 밀어내는 전압의 극성이 정공을 끌어당겨 저항이 감소된 강화된 층을 생성합니다. 이 경우 극성이 변경되면 정공이 반발하고 저항이 증가된 표면 근처 층이 형성됩니다.

한 유형 또는 다른 유형의 불순물 양이 증가함에 따라 결정의 전기 전도성은 점점 더 뚜렷한 전자 또는 정공 특성을 얻기 시작합니다. 라틴어 negativus 및 positivus의 첫 글자에 따라 전자 전기 전도도를 n형 전기 전도도라고 하고 정공 전도도를 p형이라고 하며 특정 반도체에 대한 이동 전하 캐리어의 어떤 유형이 주요한지를 나타냅니다. 그것은 사소한 것입니다.

불순물(즉, 불순물)의 존재로 인한 전기 전도도의 경우 결정에는 여전히 2가지 유형의 캐리어가 남아 있습니다. 주요 캐리어는 주로 반도체에 불순물이 도입되어 나타나는 것이고, 소수는 열적 자극으로 인해 나타나는 것입니다. 주어진 온도에서 주어진 반도체에 대한 전자 n과 정공 p의 1 cm 3 함량(농도)은 일정한 값입니다: n − p = const. 이는 불순물 도입으로 인해 특정 유형의 캐리어 농도를 여러 배 증가시킴으로써 다른 유형의 캐리어 농도를 동일한 양만큼 감소시키는 것을 의미합니다. 반도체의 다음 중요한 특성은 온도와 방사선에 대한 강한 민감도입니다. 온도가 상승함에 따라 결정 내 원자의 평균 진동 에너지가 증가하고 결합이 점점 더 많이 끊어집니다. 점점 더 많은 전자와 정공 쌍이 나타납니다. 충분히 높은 온도에서 고유(열) 전도도는 불순물 전도도와 같거나 심지어 이를 훨씬 초과할 수도 있습니다. 불순물의 농도가 높을수록 이 효과가 발생하는 온도가 높아집니다.

빛 양자의 에너지가 결합을 깨기에 충분한 경우, 예를 들어 빛으로 반도체를 조사하여 결합을 깨뜨릴 수도 있습니다. 결합을 끊는 에너지는 반도체마다 다르므로 조사 스펙트럼의 특정 부분에 다르게 반응합니다.

주요 반도체 재료로는 실리콘과 게르마늄 결정이 사용되고, 불순물로는 붕소, 인, 인듐, 비소, 안티몬 등 반도체에 필요한 특성을 부여하는 여러 원소가 사용된다. 특정 불순물 함량을 지닌 반도체 결정의 생산은 매우 정밀하고 복잡한 장비를 사용하여 특히 깨끗한 조건에서 수행되는 복잡한 기술 공정입니다.

나열된 가장 중요한 반도체 특성은 모두 목적과 응용 분야가 매우 다양한 반도체 장치를 만드는 데 사용됩니다. 다이오드, 트랜지스터, 사이리스터 및 기타 여러 반도체 장치가 기술 분야에서 널리 사용됩니다. 반도체의 사용은 비교적 최근에 시작되었으며 오늘날에는 모든 "직업"을 나열하기가 어렵습니다. 그들은 빛과 열 에너지를 전기 에너지로 변환하고, 반대로 전기를 사용하여 열과 냉기를 생성합니다(태양 에너지 참조). 반도체 장치는 기존의 라디오 수신기와 양자 발생기(레이저), 작은 원자 배터리 및 전자 컴퓨터의 소형 블록에서 찾을 수 있습니다. 오늘날 엔지니어들은 반도체 정류기, 스위치 및 증폭기 없이는 할 수 없습니다. 진공관 장비를 반도체 장비로 교체함으로써 전자기기의 크기와 무게를 10배로 줄이고 전력 소모를 줄이며 신뢰성을 획기적으로 높일 수 있게 되었습니다.

이에 대한 내용은 Microelectronics 기사에서 읽을 수 있습니다.

이 기사에는 특별히 중요하거나 흥미로운 내용은 없으며 "인형"에 대한 간단한 질문에 대한 답변일 뿐입니다. 반도체를 금속 및 유전체와 구별하는 주요 특성은 무엇입니까?

반도체는 밴드 갭(전도대와 가전자대 사이)이 존재하는 물질(결정, 다결정 및 비정질 물질, 원소 또는 화합물)입니다.

전자 반도체는 전기 전도성 측면에서 금속(σ = 10 4 ¼10 6 Ohm -1 cm -1)과 유전체(σ = 10 -10 ¼10 -20 Ohm -) 사이의 중간 위치를 차지하는 결정 및 비정질 물질입니다. 1cm -1). 그러나 주어진 전도도의 경계값은 매우 임의적입니다.

밴드 이론을 사용하면 고체를 금속과 반도체(절연체)라는 두 가지 클래스로 나눌 수 있는 기준을 공식화할 수 있습니다. 금속은 예를 들어 전기장의 가속으로 인해 추가 에너지를 받아 전자가 이동할 수 있는 가전자대에 자유 준위가 존재한다는 특징이 있습니다. 금속의 독특한 특징은 바닥의 들뜬 상태(0K)에서 전도 전자를 갖는다는 것입니다. 외부 전기장의 영향을 받아 규칙적인 운동에 참여하는 전자.

0K의 반도체와 절연체에서는 가전자대가 완전히 채워져 있고 전도대는 밴드갭으로 분리되어 있으며 캐리어를 포함하지 않습니다. 따라서 너무 강하지 않은 전기장은 가전자대에 위치한 전자를 강화하여 전도대로 전달할 수 없습니다. 즉, 0K의 결정은 이상적인 절연체여야 합니다. 온도가 증가하거나 그러한 결정에 방사선이 조사되면 전자는 전도대로 이동하기에 충분한 양의 열 에너지 또는 복사 에너지를 흡수할 수 있습니다. 이 전환 동안 가전자대에 정공이 나타나며, 이는 전기 전달에도 참여할 수 있습니다. 가전자대에서 전도대로 전자가 이동할 확률은 다음에 비례합니다. -이자형g/ KT), 어디 이자형g - 금지 구역의 너비. 큰 값으로 이자형g (2-3eV) 이 확률은 매우 작은 것으로 나타났습니다.

따라서 물질을 금속과 비금속으로 나누는 것에는 매우 명확한 근거가 있습니다. 대조적으로, 비금속을 반도체와 유전체로 나누는 것은 그러한 근거가 없으며 순전히 조건부입니다.

이전에는 밴드갭이 있는 물질을 유전체로 분류할 수 있다고 믿었습니다. 이자형g≒ 2¼3 eV이지만 나중에 그 중 상당수가 전형적인 반도체라는 것이 밝혀졌습니다. 더욱이, 구성 요소 중 하나의 불순물 또는 과잉(화학양론적 조성 이상) 원자의 농도에 따라 동일한 결정이 반도체이자 절연체가 될 수 있음이 나타났습니다. 이는 예를 들어 다이아몬드, 산화아연, 질화갈륨 등의 결정에 적용됩니다. 바륨 및 스트론튬 티타네이트와 금홍석과 같은 일반적인 유전체조차도 부분 환원 시 과도한 금속 원자의 출현과 관련된 반도체의 특성을 얻습니다.

비금속을 반도체와 유전체로 나누는 것에도 특정한 의미가 있습니다. 왜냐하면 불순물을 도입하거나 조명이나 가열에 의해서도 전자 전도성을 눈에 띄게 증가시킬 수 없는 다수의 결정이 알려져 있기 때문입니다. 이는 광전자의 수명이 매우 짧거나 결정에 깊은 트랩이 존재하거나 전자의 이동성이 매우 낮기 때문입니다. 전기장에서 드리프트 속도가 매우 낮습니다.

전기 전도도는 농도 n, 전하 e 및 전하 캐리어의 이동도에 비례합니다. 따라서 다양한 재료의 전도도의 온도 의존성은 표시된 매개변수의 온도 의존성에 의해 결정됩니다. 모든 전자 도체에 대해 충전 이자형일정하고 온도와 무관합니다. 대부분의 재료에서 이동도 값은 일반적으로 움직이는 전자와 포논 사이의 충돌 강도가 증가하기 때문에 온도가 증가함에 따라 약간 감소합니다. 결정 격자의 진동에 의한 전자 산란으로 인해. 따라서 금속, 반도체 및 유전체의 다양한 거동은 주로 전하 캐리어 농도 및 온도 의존성과 관련이 있습니다.

1) 금속에서는 전하 캐리어 n의 농도가 높으며 온도 변화에 따라 약간 변합니다. 전기 전도도 방정식에 포함되는 변수는 이동도입니다. 그리고 온도에 따라 이동도가 약간 감소하므로 전기 전도도도 감소합니다.

2) 반도체 및 유전체 N일반적으로 온도에 따라 기하급수적으로 증가합니다. 이러한 급속한 성장 N이동도 감소보다 전도도 변화에 가장 크게 기여합니다. 따라서 전기 전도도는 온도가 증가함에 따라 급격히 증가합니다. 이러한 의미에서 유전체는 특정 제한 사례로 간주될 수 있습니다. 왜냐하면 상온에서는 값이 N이 물질에서는 극히 적습니다. 고온에서는 개별 유전체의 전도성이 증가하여 반도체 수준에 도달합니다. N. 그 반대도 관찰됩니다. 저온에서는 일부 반도체가 절연체가 됩니다.

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