Halvlederstoffer. Halvledere - materialer for forberedelse til Unified State Exam in Physics

Sammen med ledere av elektrisitet er det mange stoffer i naturen som har betydelig lavere elektrisk ledningsevne enn metallledere. Stoffer av denne typen kalles halvledere.

Halvledere inkluderer: noen kjemiske elementer, som selen, silisium og germanium, svovelforbindelser, som talliumsulfid, kadmiumsulfid, sølvsulfid, karbider, for eksempel karborundum,karbon (diamant),bor, grått tinn, fosfor, antimon, arsen, tellur, jod og en rekke forbindelser som inkluderer minst ett av elementene i 4. - 7. gruppe i det periodiske systemet. Det finnes også organiske halvledere.

Naturen til den elektriske ledningsevnen til en halvleder avhenger av typen urenheter som er tilstede i basismaterialet til halvlederen og av produksjonsteknologien til komponentene.

En halvleder er et stoff med 10 -10 - 10 4 (ohm x cm) -1, som ifølge disse egenskapene er mellom en leder og en isolator. Forskjellen mellom ledere, halvledere og isolatorer i henhold til båndteori er som følger: i rene halvledere og elektroniske isolatorer er det et energigap mellom det fylte båndet (valens) og ledningsbåndet.

Hvorfor leder halvledere strøm?

En halvleder har elektronisk ledningsevne hvis de ytre elektronene i urenhetsatomene er relativt svakt bundet til kjernene til disse atomene. Hvis det dannes et elektrisk felt i en halvleder av denne typen, vil, under påvirkning av kreftene i dette feltet, de ytre elektronene til urenhetsatomene til halvlederen forlate atomenes grenser og bli til frie elektroner.

Frie elektroner vil skape en elektrisk ledningsstrøm i halvlederen under påvirkning av elektriske feltkrefter. Følgelig er naturen til den elektriske strømmen i halvledere med elektronisk ledningsevne den samme som i metallledere. Men siden det er mange ganger færre frie elektroner i en enhetsvolum av en halvleder enn i en enhetsvolum av en metallleder, er det naturlig at under alle andre identiske forhold vil strømmen i en halvleder være mange ganger mindre enn i en metall leder.

En halvleder har "hull"-ledningsevne hvis dens urenhetsatomer ikke bare ikke gir fra seg sine ytre elektroner, men tvert imot har en tendens til å fange opp elektroner fra atomene til hovedstoffet i halvlederen. Hvis et urenhetsatom tar et elektron fra et atom av hovedstoffet, dannes det i sistnevnte noe som et ledig rom for et elektron - et "hull".

Et halvlederatom som har mistet et elektron kalles et "elektronhull", eller ganske enkelt et "hull". Hvis "hullet" er fylt med et elektron overført fra et naboatom, blir det eliminert og atomet blir elektrisk nøytralt, og "hullet" forskyves til naboatomet som har mistet elektronet. Følgelig, hvis en halvleder med "hull"-ledningsevne blir utsatt for et elektrisk felt, vil "elektronhullene" skifte i retning av dette feltet.

Partiskhet "elektronhull" i retning av det elektriske feltet ligner bevegelsen av positive elektriske ladninger i feltet og representerer derfor fenomenet elektrisk strøm i en halvleder.

Halvledere kan strengt tatt ikke skilles ut av mekanismen for deres elektriske ledningsevne, siden sammen medMed "hull"-konduktivitet kan en gitt halvleder i en eller annen grad også ha elektronisk konduktivitet.

Halvledere er preget av:

type ledningsevne (elektronisk - n-type, hull - p-type);

resistivitet;

levetid for ladningsbærere (minoritet) eller diffusjonslengde,;

dislokasjonstetthet.

Silisium er det vanligste halvledermaterialet

Temperatur har en betydelig innflytelse på egenskapene til halvledere. En økning i den fører hovedsakelig til en reduksjon i resistivitet og omvendt, det vil si at halvledere er preget av tilstedeværelsen av en negativ . Nær absolutt null blir en halvleder en isolator.

Halvledere er grunnlaget for mange enheter. I de fleste tilfeller må de oppnås i form av enkeltkrystaller. For å gi spesifiserte egenskaper doperes halvledere med forskjellige urenheter. Det stilles økte krav til renheten til kildehalvledermaterialer.

Halvledere har funnet den bredeste anvendelsen innen moderne teknologi, de har hatt en veldig sterk innflytelse på teknisk fremgang. Takket være dem er det mulig å redusere vekten og dimensjonene til elektroniske enheter betydelig. Utviklingen av alle områder innen elektronikk fører til opprettelse og forbedring av et stort antall forskjellig utstyr basert på halvlederenheter. Halvlederenheter tjener som grunnlag for mikroceller, mikromoduler, solid-state kretser, etc.

Elektroniske enheter basert på halvlederenheter er praktisk talt treghetsfrie. En nøye konstruert og godt forseglet halvlederenhet kan vare i titusenvis av timer. Noen halvledermaterialer har imidlertid en lav temperaturgrense (for eksempel germanium), men ikke veldig kompleks temperaturkompensasjon eller å erstatte hovedmaterialet til enheten med et annet (for eksempel silisium, silisiumkarbid) eliminerer i stor grad denne ulempen. Forbedring av teknologien for produksjon av halvlederenheter fører til en reduksjon i eksisterende spredning og ustabilitet av parametere.

Halvleder-metall-kontakten og elektron-hull-krysset (n-p-krysset) opprettet i halvledere brukes til fremstilling av halvlederdioder. Doble kryss (p-n-p eller n-p-n) - transistorer og tyristorer. Disse enhetene brukes hovedsakelig til å rette opp, generere og forsterke elektriske signaler.

Basert på de fotoelektriske egenskapene til halvledere, lages fotomotstander, fotodioder og fototransistorer. Halvlederen fungerer som den aktive delen av oscillasjonsgeneratorer (forsterkere). Når elektrisk strøm føres gjennom et pn-kryss i foroverretningen, rekombinerer ladningsbærere - elektroner og hull - med emisjonen av fotoner, som brukes til å lage lysdioder.

De termoelektriske egenskapene til halvledere gjorde det mulig å lage termiske halvledermotstander, halvledertermoelementer, termopæle og termoelektriske generatorer, og termoelektrisk kjøling av halvledere, basert på Peltier-effekten, - termoelektriske kjøleskap og termostabilisatorer.

Halvledere brukes i maskinløse omformere av termisk og solenergi til elektrisitet - termoelektriske generatorer og fotoelektriske omformere (solbatterier).

Mekanisk stress påført en halvleder endrer dens elektriske motstand (effekten er sterkere enn i metaller), som var grunnlaget for halvleders strain gauge.

Halvlederenheter har blitt utbredt i verdenspraksis, og revolusjonerer elektronikk; de tjener som grunnlag for utvikling og produksjon av:

måleutstyr, datamaskiner,

utstyr for alle typer kommunikasjon og transport,

for prosessautomatisering i industrien,

utstyr for vitenskapelig forskning,

rakettteknologi,

medisinsk utstyr

andre elektroniske enheter og instrumenter.

Bruken av halvlederenheter gjør det mulig å lage nytt utstyr og forbedre det gamle, noe som betyr en reduksjon i dens dimensjoner, vekt, strømforbruk, og derfor en reduksjon i varmeutvikling i kretsen, en økning i styrke, umiddelbar handlingsberedskap , og kan øke levetiden og påliteligheten til elektroniske enheter.

Historisk informasjon

Halvledere, som en spesiell klasse av stoffer, har vært kjent siden slutten av 1800-tallet, bare utviklingen av solid state-teori gjorde det mulig å forstå egenskapene deres lenge før de ble oppdaget:

1. effekt av strømlikeretting ved metall-halvlederkontakten

2. fotokonduktivitet.

De første enhetene basert på dem ble bygget.

O. V. Losev (1923) beviste muligheten for å bruke halvleder-metallkontakter for å forsterke og generere oscillasjoner (krystalldetektor). Men i de påfølgende årene ble krystalldetektorer erstattet av elektronrør, og først på begynnelsen av 50-tallet, med oppdagelsen av transistorer (USA 1949), begynte den utbredte bruken av halvledere (hovedsakelig germanium og silisium i radioelektronikk). Samtidig begynte intensive studier av egenskapene til halvledere, noe som ble tilrettelagt ved forbedring av metoder for rengjøring av krystaller og doping av dem (introdusere visse urenheter i halvlederen).

I USSR begynte studiet av halvledere på slutten av 20-tallet under ledelse av A.F. Ioffe ved det fysisk-tekniske instituttet ved USSR Academy of Sciences.

Interessen for de optiske egenskapene til halvledere har økt på grunn av oppdagelsen av stimulert emisjon i halvledere, noe som førte til opprettelsen av halvlederlasere, først på p-n-krysset, og deretter på heterokryss.

Nylig har enheter basert på virkningen av halvledere blitt mer utbredt. Disse stoffene begynte å bli studert relativt nylig, men verken moderne elektronikk, medisin eller mange andre vitenskaper kan klare seg uten dem.

Egenskaper til halvledere

Halvledere- en bred klasse av stoffer, kjennetegnet ved verdier for spesifikk elektrisk ledningsevne d, som ligger i området mellom den spesifikke elektriske ledningsevnen til metaller og gode dielektrika, det vil si at disse stoffene ikke kan klassifiseres som noen av dielektriske stoffer (siden de ikke er gode isolatorer) eller metaller (de er ikke gode ledere av elektrisk strøm). Halvledere inkluderer for eksempel stoffer som germanium, silisium, selen, tellur, samt noen oksider, sulfider og legeringer av metaller.

Halvledere har ikke tiltrukket seg mye oppmerksomhet fra forskere og ingeniører på lenge. En av de første som begynte systematisk forskning på de fysiske egenskapene til halvledere var den fremragende sovjetiske fysikeren Abram Fedorovich Ioffe. Han fant ut at halvledere er en spesiell klasse av krystaller med mange bemerkelsesverdige egenskaper:

1) Med økende temperatur avtar resistiviteten til halvledere, i motsetning til metaller, hvis resistivitet øker med økende temperatur. Videre, som regel, over et bredt temperaturområde, skjer denne økningen eksponentielt:

d = dо ∙ exp. (-ea/kT)

hvor ea er den såkalte ledningsaktiveringsenergien,

dо - koeffisient avhengig av temperatur

Resistiviteten til halvlederkrystaller kan også reduseres når de utsettes for lys eller sterke elektroniske felt.

2) Egenskapen til enveis ledningsevne for kontakten til to halvledere. Det er denne egenskapen som brukes til å lage forskjellige halvlederenheter: dioder, transistorer, tyristorer, etc.

3) Kontakter av forskjellige halvledere under visse forhold når de er opplyst eller oppvarmet er kilder til foto-e. d.s. eller følgelig termo-e. d.s.

Strukturen til halvledere og prinsippet for deres drift.

Som allerede nevnt, er halvledere en spesiell klasse av krystaller. Valenselektroner danner vanlige kovalente bindinger, vist skjematisk i fig. 1. En slik ideell halvleder leder ikke elektrisk strøm i det hele tatt (i fravær av belysning og strålingseksponering).

Akkurat som i ikke-ledere er elektroner i halvledere bundet til atomer, men denne bindingen er veldig svak. Når temperaturen stiger

(T>0 K), under belysning eller bestråling kan elektroniske bindinger brytes, noe som vil føre til separasjon av et elektron fra atomet (fig. 2). Et slikt elektron er en strømbærer. Jo høyere temperatur på halvlederen er, jo høyere er konsentrasjonen av ledningselektroner, derfor jo lavere er resistiviteten. Dermed skyldes reduksjonen i motstanden til halvledere ved oppvarming en økning i konsentrasjonen av strømbærere i den.

I motsetning til ledere kan strømbærere i halvlederstoffer ikke bare være elektroner, men også "hull". Når et av halvlederatomene mister et elektron, forblir et tomt rom i sin bane - et "hull"; når et elektrisk felt påføres krystallen, beveger "hullet" som en positiv ladning seg mot vektor E, som faktisk oppstår pga. til å bryte noen bånd og gjenopprette andre. Et "hull" kan konvensjonelt betraktes som en partikkel som bærer en positiv ladning.

Urenhetsledningsevne .

Den samme halvlederen har enten elektronisk,eller hull ledningsevne - dette avhenger av den kjemiske sammensetningen av de innførte urenhetene. Urenheter har en sterk effekt på den elektriske ledningsevnen til halvledere:

for eksempel kan tusendeler av en prosent av urenheter være hundretusenvis av ganger

redusere motstanden deres. Dette faktum indikerer på den ene siden muligheten for å endre egenskapene til halvledere; på den annen side indikerer det vanskelighetene med teknologi ved fremstilling av halvledermaterialer med gitte egenskaper.

Når man vurderer mekanismen for påvirkning av urenheter på den elektriske ledningsevnen til halvledere, bør to tilfeller vurderes:

Elektronisk ledningsevne .

Tilsetning av elektronrike urenheter til germanium, som arsen eller antimon, gjør det mulig å oppnå en halvleder med elektronisk ledningsevne eller n-type halvleder (fra det latinske ordet "negativus" - "negativ").

I fig. Figur 3a viser skjematisk bildet av elektronbindinger ved 0 K. En av valenselektronene til arsen deltar ikke i bindinger med andre atomer. Når temperaturen øker, kan et elektron rives vekk fra atomet (se fig. 3b) og skaper dermed elektronisk ledningsevne.

Urenheter som skaper slik elektrisk ledningsevne kalles donorer.

Hullledningsevne

Tilsetning av aluminium, gallium eller indium til samme germanium skaper et overskudd av hull i krystallen. Da vil halvlederen ha hullets ledningsevne - p-type halvleder.

Hull urenhet elektrisk ledningsevne skapes av atomer som har færre valenselektroner enn hovedatomene. I fig. Figur 4 viser skjematisk de elektroniske forbindelsene til germanium med en borurenhet. Ved 0 K er alle bindinger komplette, kun bor mangler en binding (se fig. 4a). Men med økende temperatur kan bor mette sine bindinger på bekostning av elektroner fra naboatomer (se fig. 4b).

Slike urenheter kalles akseptorurenheter.

Flytende halvledere

Smeltingen av mange krystallinske halvledere er ledsaget av en kraftig økning i deres elektriske ledningsevne Q til verdier som er typiske for metaller (se fig. 5a). Imidlertid er en rekke halvledere (for eksempel HgSe, HgTe, etc.) preget av bevaring eller reduksjon av Q under smelting og halvlederne beholder naturen til temperaturavhengigheten til Q (se fig. 5b). Noen flytende halvledere, med en ytterligere økning i temperatur, mister sine halvledende egenskaper og får metalliske egenskaper (for eksempel Te - Se-legeringer og Te-legeringer). Te - Se-legeringer rike på Se oppfører seg annerledes; deres elektriske ledningsevne er rent halvledere.

I flytende halvledere spilles rollen til båndgapet av energiområdet nær minimumstettheten av tilstander i energispekteret til elektroner.

Hvis minimumet er tilstrekkelig dypt, vises en sone med nesten lokaliserte tilstander av ladningsbærere med lav mobilitet (pseudogap) i nærheten. Hvis pseudogapsene "kollapser" når temperaturen øker, blir den flytende halvlederen til et metall.

Bruk av halvledere.

De viktigste halvlederenhetene for teknologi - dioder, transistorer, tyristorer er basert på bruk av bemerkelsesverdige materialer med elektronisk eller hullledningsevne.

Den utbredte bruken av halvledere begynte relativt nylig, og nå har de blitt veldig mye brukt. De konverterer lys og termisk energi til elektrisk energi, og omvendt skaper de varme og kulde ved hjelp av elektrisitet. Halvlederenheter kan finnes i en konvensjonell radiomottaker og i en kvantegenerator - en laser, i et lite atombatteri og i mikroprosessorer.

Ingeniører kan ikke klare seg uten halvlederlikerettere,

brytere og forsterkere. Utskifting av rørutstyr med halvlederutstyr har gjort det mulig å tidobble størrelsen og vekten på elektroniske enheter, redusere strømforbruket og øke påliteligheten dramatisk.

Halvledere er mye brukt i teknologi. Handlingen til en halvlederdiode er basert på forskjellig ledningsevne (p- og n-type). Når halvledere med p- og n-konduktivitet kommer i kontakt med en viss strømretning, dannes et barrierelag i kretsen (fig. 19.4) - et dobbelt elektrisk lag, hvis felt forhindrer overføring av ladningsbærere. Dette er grunnlaget for handlingen til halvlederdioden, som tjener til å rette opp vekselstrøm. Selenlikerettere var blant de første som ble utbredt.

I tillegg til dioder, er halvledertrioder også mye brukt i radioteknikk - transistorer der det er to p-n-kryss: enten p-n-p eller n-p-n.

Den sterke temperaturavhengigheten til halvledere brukes i termistorer, svært følsomme enheter for måling av temperatur.

Blant de mange bruksområdene til halvledere er også solceller, hvis drift er basert på fotokonduktiviteten til halvledere - evnen til å endre motstand under påvirkning av lys (et fenomen som ligner på den fotoelektriske effekten, som helt og holdent forekommer i et fast stoff) .

Magnetiske krefter

De magnetiske egenskapene til stoffer har vært kjent siden antikken. Beskrevet av gamle forskere som en stein som tiltrekker seg jern, er det en naturlig magnet - et mineral som ganske ofte finnes i naturen. Den består av jernforbindelser (FeO - 31 % og Fe 2 O 3 - 69 %). Allerede i 1600 ble V. Gilberts verk "On the Magnet, Magnetic Bodies and the Great Magnet of the Earth" publisert, som inneholdt en generalisering av et stort antall eksperimentelle fakta. De viktigste var som følger:

1) en magnet har to poler - nord og sør, forskjellige i egenskapene deres,

2) i motsetning til poler tiltrekker, like poler frastøter;

3) den magnetiske nålen er plassert i rommet på en bestemt måte, og peker nord til sør;

4) det er umulig å få en magnet med en pol;

5) Jorden er en stor magnet.

Naturen til magnetiske fenomener ble avslørt først etter at de eksperimentelle fakta ble etablert på 1800-tallet om at elektrisk strøm (bevegelige ladninger) skaper et magnetfelt (R. Erstad, 1820) Studiet av samspillet mellom ledere og strømmer, som et resultat hvorav det ble funnet at parallelle strømmer i samme retning tiltrekkes , og de motsatte frastøter (J.Amper, I820), førte til konklusjonen at vekselvirkningskreftene mellom bevegelige elektriske ladninger er forskjellige fra vekselvirkningskreftene mellom stasjonære ladninger .

Ytterligere krefter som oppstår mellom bevegelige ladninger kalles magnetiske krefter. Dette skyldes det faktum at de ble oppdaget av effekten av strøm på en magnetisk nål.

Dermed kan alle magnetiske forstyrrelser reduseres til elektriske, og magnetiske krefter, som Einstein viste, er en relativistisk korreksjon til Coulombs lov.

Mens det ikke er strøm i lederne, oppstår det ingen interaksjonskrefter mellom dem, pga den positive ladningen til ionene i metallkrystallgitteret og den negative ladningen til elektronene fordeles jevnt og den totale ladningen inne i lederen er null. I nærvær av strøm, på grunn av bevegelsen av elektroner, reduseres den gjennomsnittlige avstanden mellom dem med en faktor, hvor

V er drifthastigheten til elektroner. Som et resultat vil elektronladningstettheten øke med en faktor på to, og derfor vil den resulterende ladningen ikke være null. Dette fører til samhandling av ledere.

En av hovedegenskapene til et p-n-kryss er dets evne til å sende elektrisk strøm i én (forover) retning tusenvis og millioner av ganger bedre enn i motsatt retning.

Halvledere er en klasse av stoffer som inntar en mellomposisjon mellom stoffer som leder elektrisk strøm godt (ledere, hovedsakelig metaller) og stoffer som praktisk talt ikke leder elektrisk strøm (isolatorer eller dielektriske).

Halvledere er preget av en sterk avhengighet av deres egenskaper og egenskaper av de mikroskopiske mengder urenheter de inneholder. Ved å endre mengden urenheter i en halvleder fra ti milliondeler av en prosent til 0,1–1 %, kan du endre ledningsevnen millioner av ganger. En annen viktig egenskap ved halvledere er at elektrisk strøm føres inn i dem ikke bare av negative ladninger - elektroner, men også av positive ladninger av samme størrelse - hull.

Hvis vi vurderer en idealisert halvlederkrystall, helt fri for urenheter, vil dens evne til å lede elektrisk strøm bli bestemt av den såkalte indre elektriske ledningsevnen.

Atomer i en halvlederkrystall er koblet til hverandre ved hjelp av elektroner i det ytre elektronskallet. Under termiske vibrasjoner av atomer, er termisk energi fordelt ujevnt mellom elektronene som danner bindinger. Individuelle elektroner kan motta nok termisk energi til å "bryte seg løs" fra atomet deres og være i stand til å bevege seg fritt i krystallen, dvs. bli potensielle strømbærere (med andre ord, de beveger seg inn i ledningsbåndet). Slik elektronavgang krenker den elektriske nøytraliteten til atomet; den får en positiv ladning som er like stor som ladningen til det avdøde elektronet. Denne ledige plassen kalles et hull.

Siden den ledige plassen kan okkuperes av et elektron fra en nabobinding, kan hullet også bevege seg inne i krystallen og bli en positiv strømbærer. Naturligvis, under disse forholdene, vises elektroner og hull i like store mengder, og den elektriske ledningsevnen til en slik ideell krystall vil være like bestemt av både positive og negative ladninger.

Hvis vi i stedet for et atom i hovedhalvlederen plasserer et urenhetsatom, hvis ytre elektronskall inneholder ett elektron mer enn atomet til hovedhalvlederen, vil et slikt elektron vise seg å være overflødig, unødvendig for dannelsen av interatomiske bindinger i krystallen og svakt forbundet med atomet. Titalls ganger mindre energi er nok til å rive det vekk fra atomet og gjøre det om til et fritt elektron. Slike urenheter kalles donor, det vil si å donere et "ekstra" elektron. Urenhetsatomet lades selvfølgelig positivt, men det vises ikke noe hull, siden et hull bare kan være en elektronvakans i en ufylt interatomisk binding, og i dette tilfellet er alle bindinger fylt. Denne positive ladningen forblir assosiert med atomet, ubevegelig og kan derfor ikke delta i prosessen med elektrisk ledningsevne.

Innføringen av urenheter i en halvleder, hvis ytre elektronskall inneholder færre elektroner enn i atomene til hovedstoffet, fører til utseendet av ufylte bindinger, dvs. hull. Som nevnt ovenfor kan denne ledigheten være okkupert av et elektron fra en nabobinding, og hullet er i stand til å bevege seg fritt gjennom krystallen. Med andre ord er bevegelsen av et hull en sekvensiell overgang av elektroner fra en nabobinding til en annen. Slike urenheter som "aksepterer" et elektron kalles akseptorurenheter.

Hvis en spenning (som indikert i polaritetsdiagrammet) påføres den metall-dielektriske halvlederstrukturen av n-typen, oppstår et elektrisk felt i det nære overflatelaget av halvlederen, som frastøter elektroner. Dette laget viser seg å være utarmet.

I en p-type halvleder, hvor de fleste bærere er positive ladninger - hull, vil polariteten til spenningen som frastøt elektroner tiltrekke seg hull og skape et anriket lag med redusert motstand. En endring i polaritet i dette tilfellet vil føre til frastøting av hull og dannelse av et overflatenært lag med økt motstand.

Med en økning i mengden av urenheter av en eller annen type, begynner den elektriske ledningsevnen til krystallen å få en stadig mer uttalt elektronisk eller hullkarakter. I samsvar med de første bokstavene i de latinske ordene negativus og positivus, kalles elektronisk elektrisk ledningsevne n-type elektrisk ledningsevne, og hullledningsevne kalles p-type, som indikerer hvilken type mobile ladningsbærere for en gitt halvleder som er den viktigste og som er den mindre.

Med elektrisk ledningsevne på grunn av tilstedeværelsen av urenheter (dvs. urenheter), er det fortsatt 2 typer bærere igjen i krystallen: de viktigste, som hovedsakelig vises på grunn av innføring av urenheter i halvlederen, og minoritetsbærere, som skylder deres utseende til termisk eksitasjon. Innholdet i 1 cm 3 (konsentrasjon) av elektroner n og hull p for en gitt halvleder ved en gitt temperatur er en konstant verdi: n − p = const. Dette betyr at ved å øke konsentrasjonen av bærere av en gitt type flere ganger på grunn av innføring av urenheter, reduserer vi konsentrasjonen av bærere av en annen type med samme mengde. Den neste viktige egenskapen til halvledere er deres sterke følsomhet for temperatur og stråling. Når temperaturen stiger, øker den gjennomsnittlige vibrasjonsenergien til atomene i krystallen, og flere og flere bindinger vil bli brutt. Flere og flere elektronpar og hull vil dukke opp. Ved tilstrekkelig høye temperaturer kan den indre (termiske) ledningsevnen være lik urenhetsledningsevnen eller til og med overskride den betydelig. Jo høyere konsentrasjon av urenheter, jo høyere temperaturer vil denne effekten oppstå.

Bindinger kan også brytes ved å bestråle halvlederen, for eksempel med lys, hvis energien til lyskvanta er tilstrekkelig til å bryte bindingene. Energien til å bryte bindinger er forskjellig for forskjellige halvledere, så de reagerer forskjellig på visse deler av bestrålingsspekteret.

Silisium- og germaniumkrystaller brukes som de viktigste halvledermaterialene, og bor, fosfor, indium, arsen, antimon og mange andre elementer som gir de nødvendige egenskapene til halvledere brukes som urenheter. Produksjonen av halvlederkrystaller med et gitt urenhetsinnhold er en kompleks teknologisk prosess, utført under spesielt rene forhold ved bruk av utstyr med høy presisjon og kompleksitet.

Alle de oppførte viktigste egenskapene til halvledere brukes til å lage halvlederenheter som er svært forskjellige i deres formål og bruksområder. Dioder, transistorer, tyristorer og mange andre halvlederenheter er mye brukt i teknologi. Bruken av halvledere begynte relativt nylig, og i dag er det vanskelig å liste opp alle deres "yrker". De konverterer lys og termisk energi til elektrisk energi, og omvendt skaper de varme og kulde ved hjelp av elektrisitet (se Solenergi). Halvlederenheter kan finnes i en konvensjonell radiomottaker og i en kvantegenerator - en laser, i et lite atombatteri og i miniatyrblokker av en elektronisk datamaskin. Ingeniører i dag kan ikke klare seg uten halvlederlikerettere, brytere og forsterkere. Utskifting av rørutstyr med halvlederutstyr har gjort det mulig å tidobble størrelsen og vekten på elektroniske enheter, redusere strømforbruket og øke påliteligheten dramatisk.

Dette kan du lese om i artikkelen Microelectronics.

Det er ikke noe ekstraordinært viktig eller interessant i denne artikkelen, bare et svar på et enkelt spørsmål for "dummies": hva er hovedegenskapene som skiller halvledere fra metaller og dielektriske stoffer?

Halvledere er materialer (krystaller, polykrystallinske og amorfe materialer, elementer eller forbindelser) med eksistensen av et båndgap (mellom ledningsbåndet og valensbåndet).

Elektroniske halvledere er krystaller og amorfe stoffer som, når det gjelder elektrisk ledningsevne, inntar en mellomposisjon mellom metaller (σ = 10 4 ÷10 6 Ohm -1 cm -1) og dielektrikum (σ = 10 -10 ÷10 -20 Ohm - 1 cm-1). Imidlertid er de gitte grenseverdiene for konduktivitet veldig vilkårlige.

Båndteori gjør det mulig å formulere et kriterium som gjør det mulig å dele faste stoffer i to klasser - metaller og halvledere (isolatorer). Metaller er preget av tilstedeværelsen av frie nivåer i valensbåndet, som elektroner kan bevege seg til og mottar ekstra energi, for eksempel på grunn av akselerasjon i et elektrisk felt. Et karakteristisk trekk ved metaller er at de i sin grunn, ueksiterte tilstand (ved 0 K) har ledningselektroner, dvs. elektroner som deltar i ordnet bevegelse under påvirkning av et eksternt elektrisk felt.

I halvledere og isolatorer ved 0 K er valensbåndet fullstendig befolket, og ledningsbåndet er atskilt fra det med et båndgap og inneholder ikke bærere. Derfor er et ikke for sterkt elektrisk felt ikke i stand til å styrke elektronene som ligger i valensbåndet og overføre dem til ledningsbåndet. Med andre ord bør slike krystaller ved 0 K være ideelle isolatorer. Når temperaturen øker eller en slik krystall blir bestrålt, kan elektroner absorbere mengder av termisk eller strålingsenergi som er tilstrekkelig til å bevege seg inn i ledningsbåndet. Under denne overgangen oppstår det hull i valensbåndet, som også kan delta i overføringen av elektrisitet. Sannsynligheten for at et elektron overføres fra valensbåndet til ledningsbåndet er proporsjonal med ( -Eg/ kT), Hvor Eg - bredden på den forbudte sonen. Med stor verdi Eg (2-3 eV) denne sannsynligheten viser seg å være svært liten.

Dermed har inndelingen av stoffer i metaller og ikke-metaller et meget bestemt grunnlag. I motsetning til dette har ikke inndelingen av ikke-metaller i halvledere og dielektriske stoffer et slikt grunnlag og er rent betinget.

Tidligere trodde man at stoffer med båndgap kunne klassifiseres som dielektriske stoffer Eg≈ 2÷3 eV, men senere viste det seg at mange av dem er typiske halvledere. Dessuten ble det vist at, avhengig av konsentrasjonen av urenheter eller overskudd (over den støkiometriske sammensetningen) atomer til en av komponentene, kan den samme krystallen være både en halvleder og en isolator. Dette gjelder for eksempel krystaller av diamant, sinkoksid, galliumnitrid m.m. Selv slike typiske dielektrika som barium- og strontiumtitanater, samt rutil, får ved delvis reduksjon egenskapene til halvledere, som er assosiert med utseendet til overflødige metallatomer i dem.

Inndelingen av ikke-metaller i halvledere og dielektriske stoffer har også en viss betydning, siden det er kjent en rekke krystaller hvis elektroniske ledningsevne ikke kan økes merkbart ved å introdusere urenheter eller ved belysning eller oppvarming. Dette skyldes enten den svært korte levetiden til fotoelektroner, eller at det finnes dype feller i krystaller, eller den svært lave mobiliteten til elektroner, dvs. med ekstremt lav avdriftshastighet i et elektrisk felt.

Elektrisk ledningsevne er proporsjonal med konsentrasjonen n, ladningen e og mobiliteten til ladningsbærere. Derfor bestemmes temperaturavhengigheten til ledningsevnen til forskjellige materialer av temperaturavhengighetene til de angitte parametrene. For alle elektroniske ledere ladning e konstant og uavhengig av temperatur. I de fleste materialer avtar mobilitetsverdien vanligvis litt med økende temperatur på grunn av en økning i intensiteten av kollisjoner mellom bevegelige elektroner og fononer, d.v.s. på grunn av elektronspredning ved vibrasjoner i krystallgitteret. Derfor er den forskjellige oppførselen til metaller, halvledere og dielektrika hovedsakelig assosiert med ladningsbærerkonsentrasjonen og dens temperaturavhengighet:

1) i metaller er konsentrasjonen av ladningsbærere n høy og endres litt med temperaturendringer. Variabelen som inngår i ligningen for elektrisk ledningsevne er mobilitet. Og siden mobiliteten avtar litt med temperaturen, reduseres også elektrisk ledningsevne;

2) i halvledere og dielektriske nøker vanligvis eksponentielt med temperaturen. Denne raske veksten n gir det viktigste bidraget til endringer i konduktivitet enn en reduksjon i mobilitet. Derfor øker elektrisk ledningsevne raskt med økende temperatur. I denne forstand kan dielektrikum betraktes som et visst begrensende tilfelle, siden ved vanlige temperaturer verdien n i disse stoffene er ekstremt liten. Ved høye temperaturer når ledningsevnen til individuelle dielektriske stoffer halvledernivået på grunn av en økning n. Det motsatte observeres også - ved lave temperaturer blir noen halvledere isolatorer.

Bibliografi

1. West A. Kjemi av faste stoffer. Del 2 Pr. fra engelsk - M.: Mir, 1988. - 336 s.
2. Moderne krystallografi. T.4. Fysiske egenskaper til krystaller. - M.: Nauka, 1981.

Studenter fra gruppe 501 ved Det kjemiske fakultet: Bezzubov S.I., Vorobyova N.A., Efimov A.A.