Puslaidininkinės medžiagos. Puslaidininkiai - medžiaga, skirta pasirengti vieningam valstybiniam fizikos egzaminui

Kartu su elektros laidininkais gamtoje yra daug medžiagų, kurių elektros laidumas yra žymiai mažesnis nei metalinių laidininkų. Tokios medžiagos vadinamos puslaidininkiais.

Puslaidininkius sudaro: kai kurie cheminiai elementai, tokie kaip selenas, silicis ir germanis, sieros junginiai, tokie kaip talio sulfidas, kadmio sulfidas, sidabro sulfidas, karbidai, tokie kaip karborundas,anglis (deimantas),boras, pilkasis alavas, fosforas, stibis, arsenas, telūras, jodas ir daugybė junginių, kuriuose yra bent vienas iš 4-7 periodinės sistemos grupių elementų. Taip pat yra organinių puslaidininkių.

Puslaidininkio elektrinio laidumo pobūdis priklauso nuo priemaišų, esančių puslaidininkio pagrindinėje medžiagoje, tipo ir nuo jo komponentų gamybos technologijos.

Puslaidininkis yra medžiaga, turinti 10 -10 - 10 4 (omų x cm) -1, kuri pagal šias savybes yra tarp laidininko ir izoliatoriaus. Skirtumas tarp laidininkų, puslaidininkių ir izoliatorių pagal juostų teoriją yra toks: grynuose puslaidininkiuose ir elektroniniuose izoliatoriuose yra energijos tarpas tarp užpildytos juostos (valentinės) ir laidumo juostos.

Kodėl puslaidininkiai praleidžia srovę?

Puslaidininkis turi elektroninį laidumą, jei jo priemaišų atomų išoriniai elektronai yra palyginti silpnai susieti su šių atomų branduoliais. Jei tokio tipo puslaidininkyje sukuriamas elektrinis laukas, tada, veikiami šio lauko jėgų, išoriniai puslaidininkio priemaišų atomų elektronai išeis iš savo atomų ribų ir virsta laisvais elektronais.

Laisvieji elektronai, veikiami elektrinio lauko jėgų, sukurs elektros laidumo srovę puslaidininkyje. Vadinasi, elektroninio laidumo puslaidininkiuose elektros srovės pobūdis yra toks pat kaip ir metaliniuose. Tačiau kadangi puslaidininkio tūrio vienete yra daug kartų mažiau laisvųjų elektronų nei metalinio laidininko tūrio vienete, natūralu, kad esant visoms kitoms identiškoms sąlygoms srovė puslaidininkyje bus daug kartų mažesnė nei puslaidininkyje. metalinis laidininkas.

Puslaidininkio laidumas yra „skylė“, jei jo priemaišų atomai ne tik neatsisako savo išorinių elektronų, bet, priešingai, yra linkę užfiksuoti elektronus iš pagrindinės puslaidininkio medžiagos atomų. Jei priemaišos atomas paima elektroną iš pagrindinės medžiagos atomo, tada pastarajame susidaro kažkas panašaus į laisvą erdvę elektronui - „skylė“.

Puslaidininkio atomas, praradęs elektroną, vadinamas „elektronų skyle“ arba tiesiog „skyle“. Jei „skylė“ užpildyta elektronu, perkeltu iš gretimo atomo, tada jis pašalinamas ir atomas tampa elektriškai neutralus, o „skylė“ perkeliama į kaimyninį atomą, kuris prarado elektroną. Vadinasi, jei puslaidininkis, turintis „skylės“ laidumą, yra veikiamas elektrinio lauko, „elektronų skylės“ pasislinks šio lauko kryptimi.

Šališkumas „elektronų skylės“ elektrinio lauko kryptimi yra panašios į teigiamų elektros krūvių judėjimą lauke ir todėl reiškia elektros srovės reiškinį puslaidininkyje.

Puslaidininkių negalima griežtai atskirti pagal jų elektrinio laidumo mechanizmą, nes kartu suEsant „skylės“ laidumui, tam tikras puslaidininkis vienu ar kitu laipsniu taip pat gali turėti elektroninį laidumą.

Puslaidininkiams būdingos šios savybės:

laidumo tipas (elektroninis - n tipo, skylė - p tipo);

varža;

krūvininkų gyvavimo trukmė (mažuma) arba difuzijos ilgis, paviršiaus rekombinacijos greitis;

dislokacijos tankis.

Silicis yra labiausiai paplitusi puslaidininkinė medžiaga

Temperatūra turi didelę įtaką puslaidininkių charakteristikoms. Jo padidėjimas daugiausia lemia varžos sumažėjimą ir atvirkščiai, t. y. puslaidininkiams būdingas neigiamas elementas. . Netoli absoliutaus nulio puslaidininkis tampa izoliatoriumi.

Puslaidininkiai yra daugelio prietaisų pagrindas. Daugeliu atvejų jie turi būti gauti pavienių kristalų pavidalu. Norint suteikti tam tikras savybes, puslaidininkiai yra legiruojami įvairiomis priemaišomis. Didesni reikalavimai keliami pirminių puslaidininkinių medžiagų grynumui.

Puslaidininkiai buvo plačiai pritaikyti šiuolaikinėse technologijose, jie padarė labai didelę įtaką technikos pažangai. Jų dėka galima gerokai sumažinti elektroninių prietaisų svorį ir matmenis. Visų elektronikos sričių plėtra leidžia sukurti ir tobulinti daugybę įvairios įrangos, pagrįstos puslaidininkiniais įtaisais. Puslaidininkiniai įtaisai yra mikroelementų, mikromodulių, kietojo kūno grandinių ir kt.

Elektroniniai prietaisai, kurių pagrindą sudaro puslaidininkiniai įtaisai, yra praktiškai be inercijos. Kruopščiai sukonstruotas ir gerai užsandarintas puslaidininkinis įtaisas gali tarnauti dešimtis tūkstančių valandų. Tačiau kai kurios puslaidininkinės medžiagos turi žemą temperatūros ribą (pavyzdžiui, germanis), tačiau ne itin sudėtinga temperatūros kompensacija arba pagrindinės įrenginio medžiagos pakeitimas kita (pavyzdžiui, siliciu, silicio karbidu) šį trūkumą iš esmės pašalina. Tobulinant puslaidininkinių įtaisų gamybos technologiją, sumažėja esama sklaida ir parametrų nestabilumas.

Puslaidininkių diodų gamyboje naudojamas puslaidininkių-metalo kontaktas ir elektronų skylės sandūra (n-p sandūra), sukurta puslaidininkiuose. Dvigubos jungtys (p-n-p arba n-p-n) - tranzistoriai ir tiristoriai. Šie prietaisai daugiausia naudojami elektros signalams ištaisyti, generuoti ir stiprinti.

Remiantis puslaidininkių fotoelektrinėmis savybėmis, sukuriami fotorezistoriai, fotodiodai ir fototranzistoriai. Puslaidininkis tarnauja kaip aktyvioji virpesių generatorių (stiprintuvų) dalis. Kai elektros srovė praeina per pn sandūrą į priekį, krūvininkai - elektronai ir skylės - rekombinuojasi su fotonų emisija, kuri naudojama šviesos diodams kurti.

Puslaidininkių termoelektrinės savybės leido sukurti puslaidininkių šilumines varžas, puslaidininkinius termoelementus, termopolius ir termoelektrinius generatorius bei termoelektrinį puslaidininkių aušinimą, remiantis Peltier efektu, - termoelektrinius šaldytuvus ir termostabilizatorius.

Puslaidininkiai naudojami bemečiuose šilumos ir saulės energijos keitikliuose į elektros energiją – termoelektriniuose generatoriuose ir fotoelektriniuose keitikliuose (saulės baterijose).

Puslaidininkiui taikomas mechaninis įtempis keičia jo elektrinę varžą (poveikis stipresnis nei metalų), kuris buvo puslaidininkio deformacijos matuoklio pagrindas.

Puslaidininkiniai įtaisai plačiai paplito pasaulinėje praktikoje, sukėlę revoliuciją elektronikoje; jie yra pagrindas kuriant ir gaminant:

matavimo įranga, kompiuteriai,

visų tipų ryšių ir transporto įranga,

procesų automatizavimui pramonėje,

prietaisai moksliniams tyrimams,

raketų technologija,

Medicininė įranga

kiti elektroniniai prietaisai ir prietaisai.

Puslaidininkinių įtaisų naudojimas leidžia sukurti naują įrangą ir patobulinti seną, o tai reiškia, kad sumažėja jos matmenys, svoris, energijos suvartojimas, todėl sumažėja šilumos susidarymas grandinėje, padidėja stiprumas, nedelsiant pasirengimas veikti. , ir gali padidinti elektroninių prietaisų tarnavimo laiką ir patikimumą.

Istorinė informacija

Puslaidininkiai, kaip ypatinga medžiagų klasė, buvo žinomi nuo XIX amžiaus pabaigos, tik kietojo kūno teorijos raida leido suprasti jų ypatybes dar gerokai prieš jų atradimą:

1. srovės ištaisymo poveikis metalo ir puslaidininkio kontaktui

2. fotolaidumas.

Jų pagrindu buvo sukurti pirmieji įrenginiai.

O. V. Losevas (1923) įrodė galimybę panaudoti puslaidininkių-metalo kontaktus virpesiams stiprinti ir generuoti (kristalų detektorius). Tačiau vėlesniais metais kristalų detektorius išstūmė elektronų vamzdžiai, ir tik šeštojo dešimtmečio pradžioje, atradus tranzistorius (JAV 1949 m.), buvo pradėti plačiai naudoti puslaidininkiai (radijo elektronikoje daugiausia germanio ir silicio). tuo pat metu prasidėjo intensyvūs puslaidininkių savybių tyrimai, kuriuos palengvino kristalų valymo ir jų legiravimo metodų tobulinimas (tam tikrų priemaišų įvedimas į puslaidininkį).

SSRS puslaidininkių studijos prasidėjo XX amžiaus pabaigoje, vadovaujant A. F. Ioffe SSRS mokslų akademijos Fizikos-technikos institute.

Susidomėjimas puslaidininkių optinėmis savybėmis išaugo dėl puslaidininkių stimuliuotos emisijos atradimo, dėl kurio buvo sukurti puslaidininkiniai lazeriai, pirmiausia p-n sandūroje, o vėliau ir heterosandūrose.

Pastaruoju metu vis labiau paplito prietaisai, pagrįsti puslaidininkių veikimu. Šios medžiagos pradėtos tyrinėti palyginti neseniai, tačiau be jų neapsieina nei šiuolaikinė elektronika, nei medicina, nei daugelis kitų mokslų.

Puslaidininkių savybės

Puslaidininkiai- plati medžiagų klasė, kuriai būdingos savitojo elektrinio laidumo d vertės, esančios intervale tarp metalų savitojo elektrinio laidumo ir gerų dielektrikų, tai yra, šios medžiagos negali būti priskirtos nei prie dielektrikų (nes jos nėra geros). izoliatoriai) arba metalai (jie nėra geri elektros srovės laidininkai). Pavyzdžiui, puslaidininkiams priskiriamos tokios medžiagos kaip germanis, silicis, selenas, telūras, taip pat kai kurie oksidai, sulfidai ir metalų lydiniai.

Puslaidininkiai jau seniai nesulaukė didelio mokslininkų ir inžinierių dėmesio. Vienas pirmųjų, pradėjusių sistemingus puslaidininkių fizikinių savybių tyrimus, buvo puikus sovietų fizikas Abramas Fedorovičius Joffe. Jis išsiaiškino, kad puslaidininkiai yra ypatinga kristalų klasė, turinti daug puikių savybių:

1) Kylant temperatūrai, puslaidininkių savitoji varža mažėja, priešingai nei metalų, kurių savitoji varža didėja kylant temperatūrai. Be to, paprastai plačiame temperatūros diapazone šis padidėjimas vyksta eksponentiškai:

d = dо ∙ exp. (-ea/kT)

kur ea yra vadinamoji laidumo aktyvavimo energija,

dо - koeficientas priklausomai nuo temperatūros

Puslaidininkinių kristalų savitoji varža taip pat gali sumažėti veikiant šviesai arba stipriam elektroniniam laukui.

2) Dviejų puslaidininkių kontakto vienpusio laidumo savybė. Būtent ši savybė naudojama kuriant įvairius puslaidininkinius įrenginius: diodus, tranzistorius, tiristorius ir kt.

3) Įvairių puslaidininkių kontaktai esant tam tikroms sąlygoms, kai jie yra apšviesti ar šildomi, yra foto-e šaltiniai. d.s. arba, atitinkamai, termo-e. d.s.

Puslaidininkių sandara ir veikimo principas.

Kaip jau minėta, puslaidininkiai yra ypatinga kristalų klasė. Valentiniai elektronai sudaro reguliarius kovalentinius ryšius, schematiškai parodyta 1 pav. Toks idealus puslaidininkis visiškai nepraleidžia elektros srovės (nesant apšvietimo ir radiacijos poveikio).

Kaip ir nelaidininkuose, puslaidininkiuose elektronai yra prijungti prie atomų, tačiau šis ryšys yra labai silpnas. Kylant temperatūrai

(T>0 K), esant apšvietimui ar apšvitinimui, gali nutrūkti elektroniniai ryšiai, o tai lems elektrono atsiskyrimą nuo atomo (2 pav.). Toks elektronas yra srovės nešėjas. Kuo aukštesnė puslaidininkio temperatūra, tuo didesnė laidumo elektronų koncentracija, todėl mažesnė savitoji varža. Taigi puslaidininkių varžos sumažėjimas kaitinant atsiranda dėl padidėjusios srovės nešėjų koncentracijos jame.

Skirtingai nuo laidininkų, puslaidininkinėse medžiagose srovės nešikliai gali būti ne tik elektronai, bet ir „skylės“. Kai vienas iš puslaidininkio atomų praranda elektroną, jo orbitoje lieka tuščia erdvė - „skylė“, o kai kristalą veikia elektrinis laukas, „skylė“ kaip teigiamas krūvis juda link vektoriaus E, o tai iš tikrųjų atsiranda dėl į kai kurių saitų nutraukimą ir kitų atkūrimą. „Skylė“ paprastai gali būti laikoma dalele, turinčia teigiamą krūvį.

Priemaišų laidumas .

Tas pats puslaidininkis turi arba elektroninis, arba skylė laidumas - tai priklauso nuo įterptų priemaišų cheminės sudėties. Priemaišos stipriai veikia puslaidininkių elektrinį laidumą:

pavyzdžiui, tūkstantosios procentinės dalys priemaišų gali būti šimtus tūkstančių kartų

sumažinti jų atsparumą. Šis faktas, viena vertus, rodo galimybę keisti puslaidininkių savybes, kita vertus, tai rodo technologijos sunkumus gaminant puslaidininkines medžiagas, turinčias tam tikras charakteristikas.

Nagrinėjant priemaišų įtakos puslaidininkių elektriniam laidumui mechanizmą, reikėtų atsižvelgti į du atvejus:

Elektroninis laidumas .

Į germanį įdėjus daug elektronų turinčių priemaišų, tokių kaip arsenas ar stibis, galima gauti puslaidininkį su elektroninis laidumas arba n tipo puslaidininkis (iš lotyniško žodžio „negativus“ – „neigiamas“).

Fig. 3a paveiksle schematiškai pavaizduotas elektronų jungčių 0 K temperatūroje vaizdas. Vienas iš arseno valentinių elektronų nedalyvauja ryšiuose su kitais atomais. Kylant temperatūrai, elektronas gali atitrūkti nuo atomo (žr. 3b pav.) ir taip sukuriamas elektroninis laidumas.

Priemaišos, sukuriančios tokį elektros laidumą, vadinamos donorėmis.

Skylės laidumas

Aliuminio, galio ar indžio pridėjimas prie to paties germanio sukuria kristale skylių perteklių. Tada puslaidininkis turės skylės laidumas - p tipo puslaidininkis.

Skylių priemaišų elektrinį laidumą sukuria atomai, turintys mažiau valentinių elektronų nei pagrindiniai atomai. Fig. 4 paveiksle schematiškai pavaizduotos germanio elektroninės jungtys su boro priemaiša. Esant 0 K, visi ryšiai yra užbaigti, tik borui trūksta vienos jungties (žr. 4a pav.). Tačiau kylant temperatūrai boras gali prisotinti savo ryšius kaimyninių atomų elektronų sąskaita (žr. 4b pav.).

Tokios priemaišos vadinamos akceptoriaus priemaišomis.

Skysti puslaidininkiai

Lydantis daugeliui kristalinių puslaidininkių, smarkiai padidėja jų elektrinis laidumas Q iki metalams būdingų verčių (žr. 5a pav.). Tačiau kai kuriems puslaidininkiams (pavyzdžiui, HgSe, HgTe ir kt.) būdingas Q išsaugojimas arba sumažėjimas lydymosi metu, o puslaidininkiai išlaiko Q priklausomybės nuo temperatūros pobūdį (žr. 5b pav.). Kai kurie skysti puslaidininkiai, toliau kylant temperatūrai, praranda savo puslaidininkines savybes ir įgauna metalinių savybių (pavyzdžiui, Te - Se lydiniai ir Te lydiniai). Te-Se lydiniai, kuriuose gausu Se, elgiasi skirtingai; jų elektrinis laidumas yra grynai puslaidininkinis.

Skystuose puslaidininkiuose juostos tarpo vaidmenį atlieka energijos sritis, artima minimaliam elektronų energijos spektro būsenų tankiui.

Jei minimumas pakankamai gilus, jo apylinkėse atsiranda beveik lokalizuotų mažo judrumo krūvininkų būsenų zona (pseudogap). Jei pseudotarpai „sugriuvo“ kylant temperatūrai, skystas puslaidininkis virsta metalu.

Puslaidininkių naudojimas.

Technologijoje svarbiausi puslaidininkiniai įtaisai - diodai, tranzistoriai, tiristoriai yra pagrįsti nepaprastų medžiagų, turinčių elektroninį ar skylinį laidumą, naudojimu.

Platus puslaidininkių naudojimas buvo pradėtas palyginti neseniai, o dabar jie tapo labai plačiai naudojami. Jie paverčia šviesą ir šiluminę energiją elektros energija ir, atvirkščiai, sukuria šilumą ir šaltį naudodami elektrą. Puslaidininkinius įtaisus galima rasti įprastame radijo imtuve ir kvantiniame generatoriuje – lazeryje, mažytėje atominėje baterijoje ir mikroprocesoriuose.

Inžinieriai negali išsiversti be puslaidininkinių lygintuvų,

jungikliai ir stiprintuvai. Vamzdžių įrangos pakeitimas puslaidininkine įranga leido dešimt kartų sumažinti elektroninių prietaisų dydį ir svorį, sumažinti jų energijos suvartojimą ir smarkiai padidinti patikimumą.

Puslaidininkiai plačiai naudojami technologijoje. Puslaidininkinio diodo veikimas pagrįstas skirtingu laidumu (p ir n tipo). Kai puslaidininkiai, turintys p ir n laidumą, susiliečia su tam tikra srovės kryptimi, grandinėje susidaro barjerinis sluoksnis (19.4 pav.) - dvigubas elektrinis sluoksnis, kurio laukas neleidžia pernešti krūvininkų. Tai yra puslaidininkinio diodo, skirto kintamajai srovei ištaisyti, veikimo pagrindas. Vieni pirmųjų plačiai paplito seleniniai lygintuvai.

Be diodų, radijo inžinerijoje plačiai naudojami ir puslaidininkiniai triodai – tranzistoriai, kuriuose yra dvi p-n sandūros: arba p-n-p, arba n-p-n.

Stipri puslaidininkių priklausomybė nuo temperatūros naudojama termistoriuose, labai jautriuose temperatūros matavimo prietaisuose.

Tarp daugybės puslaidininkių pritaikymo būdų yra ir saulės elementai, kurių veikimas pagrįstas puslaidininkių fotolaidumu – galimybe keisti atsparumą veikiant šviesai (reiškinys, panašus į fotoelektrinį efektą, kuris vyksta tik kietoje medžiagoje). .

Magnetinės jėgos

Medžiagų magnetinės savybės žinomos nuo seniausių laikų. Senovės mokslininkų apibūdintas kaip geležį traukiantis akmuo, tai natūralus magnetas – gana dažnai gamtoje sutinkamas mineralas. Jį sudaro geležies junginiai (FeO - 31% ir Fe 2 O 3 - 69%). Jau 1600 metais buvo išleistas V. Gilberto darbas „Apie magnetą, magnetinius kūnus ir didįjį Žemės magnetą“, kuriame buvo apibendrinti daugybė eksperimentinių faktų. Pagrindiniai buvo tokie:

1) magnetas turi du polius - šiaurę ir pietus, kurie skiriasi savo savybėmis,

2) skirtingai nei poliai traukia, kaip stulpai atstumia;

3) magnetinė adata tam tikru būdu yra erdvėje, nukreipta į šiaurę į pietus;

4) neįmanoma gauti vieno poliaus magneto;

5) Žemė yra didelis magnetas.

Magnetinių reiškinių prigimtis atsiskleidė tik XIX amžiuje nustačius eksperimentinius faktus, kad elektros srovė (judantys krūviai) sukuria magnetinį lauką (R. Erstad, 1820) Laidininkų sąveikos su srovėmis tyrimas, kaip rezultatas. iš kurių buvo nustatyta, kad lygiagrečios tos pačios krypties srovės traukia, o priešingos atstumia (J.Amper, I820), leido daryti išvadą, kad judančių elektros krūvių sąveikos jėgos skiriasi nuo nejudančių krūvių sąveikos jėgų. .

Papildomos jėgos, atsirandančios tarp judančių krūvių, vadinamos magnetinėmis jėgomis. Taip yra dėl to, kad jie buvo atrasti dėl srovės poveikio magnetinei adatai.

Taigi visus magnetinius trikdžius galima redukuoti į elektrinius, o magnetinės jėgos, kaip parodė Einšteinas, yra reliatyvistinė Kulono dėsnio pataisa.

Nors laidininkuose nėra srovės, tarp jų neatsiranda sąveikos jėgų, nes teigiamas metalo kristalinės gardelės jonų krūvis ir neigiamas elektronų krūvis pasiskirsto tolygiai, o bendras krūvis laidininko viduje lygus nuliui. Esant srovei, dėl elektronų judėjimo vidutinis atstumas tarp jų sumažėja koeficientu, kur

V – elektronų dreifo greitis. Dėl to elektronų krūvio tankis padidės du kartus, todėl gaunamas krūvis nebus lygus nuliui. Tai veda prie laidininkų sąveikos.

Viena iš pagrindinių p-n-sankryžos savybių yra jos gebėjimas praleisti elektros srovę viena (pirmyn) kryptimi tūkstančius ir milijonus kartų geriau nei priešinga kryptimi.

Puslaidininkiai – medžiagų klasė, užimanti tarpinę padėtį tarp medžiagų, kurios gerai praleidžia elektros srovę (laidininkai, daugiausia metalai) ir medžiagų, kurios praktiškai nelaidžia elektros srovės (izoliatoriai arba dielektrikai).

Puslaidininkiams būdinga stipri jų savybių ir charakteristikų priklausomybė nuo mikroskopinio juose esančių priemaišų kiekio. Pakeitus priemaišų kiekį puslaidininkyje nuo dešimties milijonų procentų iki 0,1–1%, galite pakeisti jų laidumą milijonus kartų. Kita svarbi puslaidininkių savybė yra ta, kad elektros srovę į juos neša ne tik neigiami krūviai – elektronai, bet ir vienodo dydžio teigiami krūviai – skylės.

Jei laikysime idealizuotą puslaidininkio kristalą, visiškai be jokių priemaišų, tada jo gebėjimą praleisti elektros srovę lems vadinamasis vidinis elektrinis laidumas.

Puslaidininkinio kristalo atomai yra sujungti vienas su kitu naudojant išoriniame elektronų apvalkale esančius elektronus. Šiluminių atomų virpesių metu šiluminė energija tarp elektronų, sudarančių ryšius, pasiskirsto netolygiai. Atskiri elektronai gali gauti pakankamai šiluminės energijos, kad „atsiplėštų“ nuo savo atomo ir galėtų laisvai judėti kristale, t.y. tapti potencialiais srovės nešėjais (kitaip tariant, pereiti į laidumo juostą). Toks elektronų išskyrimas pažeidžia atomo elektrinį neutralumą, jis įgyja teigiamą krūvį, kurio dydis lygus pasišalinusio elektrono krūviui. Ši laisva erdvė vadinama skyle.

Kadangi laisvą vietą gali užimti elektronas iš kaimyninės jungties, skylė taip pat gali judėti kristalo viduje ir tapti teigiamu srovės nešikliu. Natūralu, kad tokiomis sąlygomis elektronų ir skylių atsiranda vienodai, o tokio idealaus kristalo elektrinį laidumą vienodai lems ir teigiami, ir neigiami krūviai.

Jei vietoje pagrindinio puslaidininkio atomo įdėsime priemaišos atomą, kurio išoriniame elektronų apvalkale yra vienu elektronu daugiau nei pagrindinio puslaidininkio atome, tai toks elektronas pasirodys perteklinis, nereikalingas puslaidininkio susidarymui. tarpatominiai ryšiai kristale ir silpnai sujungti su jo atomu. Pakanka dešimčių kartų mažiau energijos, kad atplėštų jį nuo atomo ir paverstų laisvu elektronu. Tokios priemaišos vadinamos donorinėmis, ty dovanojančiomis „papildomą“ elektroną. Priemaišos atomas įkraunamas, žinoma, teigiamai, tačiau skylė neatsiranda, nes skylė gali būti tik elektronų laisva vieta neužpildytame tarpatominiame ryšyje, ir šiuo atveju visos jungtys yra užpildytos. Šis teigiamas krūvis lieka susietas su jo atomu, nejuda, todėl negali dalyvauti elektros laidumo procese.

Priemaišų patekimas į puslaidininkį, kurio išoriniame elektronų apvalkale yra mažiau elektronų nei pagrindinės medžiagos atomuose, atsiranda neužpildytų ryšių, ty skylių. Kaip minėta aukščiau, šią laisvą vietą gali užimti elektronas iš kaimyninės jungties, o skylė gali laisvai judėti visame kristale. Kitaip tariant, skylės judėjimas yra nuoseklus elektronų perėjimas iš vienos kaimyninės jungties į kitą. Tokios priemaišos, kurios "priima" elektroną, vadinamos akceptoriaus priemaišomis.

Jei n tipo metalo-dielektrinio puslaidininkio struktūrai taikoma įtampa (kaip nurodyta poliškumo diagramoje), tai puslaidininkio paviršiniame sluoksnyje atsiranda elektrinis laukas, atstumiantis elektronus. Pasirodo, šis sluoksnis išeikvotas.

P tipo puslaidininkyje, kur daugiausiai nešėjų yra teigiami krūviai – skylės, elektronus atstumiančios įtampos poliškumas pritrauks skylutes ir sukurs prisodrintą sluoksnį su sumažinta varža. Poliškumo pasikeitimas šiuo atveju sukels skylių atstūmimą ir paviršinio sluoksnio susidarymą su padidintu atsparumu.

Didėjant vienokio ar kitokio tipo priemaišų kiekiui, kristalo elektrinis laidumas pradeda įgauti vis ryškesnį elektroninį ar skylės pobūdį. Pagal lotyniškų žodžių negativus ir positivus pirmąsias raides elektroninis elektrinis laidumas vadinamas n tipo elektriniu laidumu, o skylių laidumas – p tipo, nurodantis, kokio tipo judrūs krūvininkai tam tikram puslaidininkiui yra pagrindiniai ir kuris yra nepilnametis.

Esant elektriniam laidumui dėl priemaišų (t. y. priemaišų), kristale vis dar liko 2 tipų nešikliai: pagrindiniai, kurie atsiranda daugiausia dėl priemaišų patekimo į puslaidininkį, ir mažumai, kurie savo išvaizdą lėmė terminis sužadinimas. Elektronų n ir skylių p kiekis 1 cm 3 (koncentracija) tam tikram puslaidininkiui tam tikroje temperatūroje yra pastovi reikšmė: n − p = const. Tai reiškia, kad kelis kartus padidinę tam tikro tipo nešiklių koncentraciją dėl priemaišų, tokiu pat kiekiu sumažiname ir kito tipo nešiklių koncentraciją. Kita svarbi puslaidininkių savybė yra didelis jų jautrumas temperatūrai ir spinduliuotei. Kylant temperatūrai, vidutinė kristalo atomų virpesių energija didėja, nutrūks vis daugiau ryšių. Atsiras vis daugiau elektronų porų ir skylių. Esant pakankamai aukštai temperatūrai, vidinis (šiluminis) laidumas gali būti lygus priemaišų laidumui arba net gerokai jį viršyti. Kuo didesnė priemaišų koncentracija, tuo aukštesnėje temperatūroje šis poveikis pasireikš.

Ryšiai gali būti nutraukti ir apšvitinant puslaidininkį, pavyzdžiui, šviesa, jei šviesos kvantų energijos pakanka ryšiams nutraukti. Ryšių nutraukimo energija skirtingiems puslaidininkiams yra skirtinga, todėl jie skirtingai reaguoja į tam tikras švitinimo spektro dalis.

Kaip pagrindinės puslaidininkinės medžiagos naudojami silicio ir germanio kristalai, o kaip priemaišos – boras, fosforas, indis, arsenas, stibis ir daugelis kitų elementų, suteikiančių puslaidininkiams reikiamas savybes. Puslaidininkinių kristalų su tam tikru priemaišų kiekiu gamyba yra sudėtingas technologinis procesas, atliekamas ypač švariomis sąlygomis naudojant didelio tikslumo ir sudėtingumo įrangą.

Visos išvardintos svarbiausios puslaidininkių savybės naudojamos kuriant puslaidininkinius įtaisus, kurie savo paskirtimi ir taikymo sritimis yra labai įvairūs. Diodai, tranzistoriai, tiristoriai ir daugelis kitų puslaidininkinių įrenginių yra plačiai naudojami technikoje. Puslaidininkiai buvo pradėti naudoti palyginti neseniai, ir šiandien sunku išvardyti visas jų „profesijas“. Jie paverčia šviesą ir šiluminę energiją elektros energija ir, atvirkščiai, sukuria šilumą ir šaltį naudodami elektrą (žr. Saulės energija). Puslaidininkinius įtaisus galima rasti įprastame radijo imtuve ir kvantiniame generatoriuje – lazeryje, mažytėje atominėje baterijoje ir miniatiūriniuose elektroninio kompiuterio blokuose. Šiandien inžinieriai neapsieina be puslaidininkinių lygintuvų, jungiklių ir stiprintuvų. Vamzdžių įrangos pakeitimas puslaidininkine įranga leido dešimt kartų sumažinti elektroninių prietaisų dydį ir svorį, sumažinti jų energijos suvartojimą ir smarkiai padidinti patikimumą.

Apie tai galite perskaityti straipsnyje Mikroelektronika.

Šiame straipsnyje nėra nieko nepaprastai svarbaus ar įdomaus, tik atsakymas į paprastą klausimą „manekenams“: kokios pagrindinės savybės skiria puslaidininkius nuo metalų ir dielektrikų?

Puslaidininkiai yra medžiagos (kristalai, polikristalinės ir amorfinės medžiagos, elementai arba junginiai), turinčios juostos tarpą (tarp laidumo juostos ir valentinės juostos).

Elektroniniai puslaidininkiai yra kristalai ir amorfinės medžiagos, kurios pagal elektrinį laidumą užima tarpinę padėtį tarp metalų (σ = 10 4 ÷10 6 Ohm -1 cm -1) ir dielektrikų (σ = 10 -10 ÷10 -20 omų - 1 cm -1). Tačiau pateiktos laidumo ribinės vertės yra labai savavališkos.

Juostų teorija leidžia suformuluoti kriterijų, leidžiantį suskirstyti kietąsias medžiagas į dvi klases – metalus ir puslaidininkius (izoliatorius). Metalams būdingas laisvųjų lygių buvimas valentinėje juostoje, į kurią gali judėti elektronai, gaudami papildomos energijos, pavyzdžiui, dėl pagreičio elektriniame lauke. Išskirtinis metalų bruožas yra tas, kad žemėje, nesužadintoje būsenoje (esant 0 K) jie turi laidumo elektronų, t.y. elektronai, kurie dalyvauja tvarkingame judėjime veikiant išoriniam elektriniam laukui.

Puslaidininkiuose ir izoliatoriuose esant 0 K valentinė juosta yra visiškai užpildyta, o laidumo juosta nuo jos atskirta juostos tarpu ir joje nėra nešėjų. Todėl ne per stiprus elektrinis laukas nepajėgia sustiprinti valentinėje juostoje esančių elektronų ir perkelti jų į laidumo juostą. Kitaip tariant, tokie kristalai 0 K temperatūroje turėtų būti idealūs izoliatoriai. Kai temperatūra pakyla arba toks kristalas yra apšvitinamas, elektronai gali sugerti šiluminės ar spinduliuotės energijos kiekius, kurių pakanka patekti į laidumo juostą. Šio perėjimo metu valentinėje juostoje atsiranda skylių, kurios taip pat gali dalyvauti perduodant elektrą. Tikimybė, kad elektronas persikels iš valentinės juostos į laidumo juostą, yra proporcinga ( -Eg/ kT), kur Eg - draudžiamos zonos plotis. Su didele verte Eg (2-3 eV) ši tikimybė pasirodo labai maža.

Taigi medžiagų skirstymas į metalus ir nemetalus turi labai apibrėžtą pagrindą. Priešingai, nemetalų skirstymas į puslaidininkius ir dielektrikus tokio pagrindo neturi ir yra tik sąlyginis.

Anksčiau buvo manoma, kad medžiagos, turinčios juostos tarpą, gali būti priskiriamos dielektrikams Eg≈ 2÷3 eV, bet vėliau paaiškėjo, kad daugelis jų yra tipiniai puslaidininkiai. Be to, buvo parodyta, kad, priklausomai nuo vieno iš komponentų priemaišų ar perteklinių (virš stechiometrinės sudėties) atomų koncentracijos, tas pats kristalas gali būti ir puslaidininkis, ir izoliatorius. Tai taikoma, pavyzdžiui, deimantų, cinko oksido, galio nitrido ir kt. kristalams. Net tokie tipiški dielektrikai kaip bario ir stroncio titanatai, taip pat rutilas, dalinai redukuojant, įgyja puslaidininkių savybių, kurios yra susijusios su metalo atomų pertekliumi juose.

Nemetalų skirstymas į puslaidininkius ir dielektrikus taip pat turi tam tikrą reikšmę, nes žinoma nemažai kristalų, kurių elektroninio laidumo negalima pastebimai padidinti nei įvedant priemaišų, nei apšviečiant ar kaitinant. Tai lemia arba labai trumpas fotoelektronų gyvavimo laikas, arba gilių spąstų kristaluose egzistavimas, arba labai mažas elektronų mobilumas, t.y. su itin mažu jų dreifo greičiu elektriniame lauke.

Elektros laidumas proporcingas koncentracijai n, krūviui e ir krūvininkų judrumui. Todėl įvairių medžiagų laidumo priklausomybę nuo temperatūros lemia nurodytų parametrų temperatūros priklausomybės. Už visus elektroninius laidininkus mokestis e pastovus ir nepriklausomas nuo temperatūros. Daugumoje medžiagų judrumo reikšmė paprastai šiek tiek mažėja didėjant temperatūrai, nes didėja judančių elektronų ir fononų susidūrimų intensyvumas, t.y. dėl elektronų sklaidos kristalinės gardelės virpesiais. Todėl skirtingas metalų, puslaidininkių ir dielektrikų elgesys daugiausia susijęs su krūvininkų koncentracija ir jos priklausomybe nuo temperatūros:

1) metaluose krūvininkų koncentracija n yra didelė ir nežymiai kinta keičiantis temperatūrai. Kintamasis, įtrauktas į elektros laidumo lygtį, yra mobilumas. Ir kadangi judrumas šiek tiek mažėja didėjant temperatūrai, mažėja ir elektrinis laidumas;

2) puslaidininkiuose ir dielektrikuose n paprastai didėja eksponentiškai didėjant temperatūrai. Šis spartus augimas n daro didžiausią indėlį į laidumo pokyčius nei mobilumo sumažėjimas. Todėl, kylant temperatūrai, elektros laidumas sparčiai didėja. Šia prasme dielektrikai gali būti laikomi tam tikru ribojančiu atveju, nes įprastoje temperatūroje ši vertė nšiose medžiagose yra labai mažai. Esant aukštai temperatūrai, atskirų dielektrikų laidumas pasiekia puslaidininkio lygį dėl padidėjimo n. Pastebima ir priešinga – žemoje temperatūroje kai kurie puslaidininkiai tampa izoliatoriais.

Bibliografija

1. West A. Kietųjų medžiagų chemija. 2 dalis Per. iš anglų kalbos - M.: Mir, 1988. - 336 p.
2. Šiuolaikinė kristalografija. T.4. Fizikinės kristalų savybės. - M.: Nauka, 1981 m.

Chemijos fakulteto 501 grupės studentai: Bezzubov S.I., Vorobyova N.A., Efimov A.A.