Substâncias semicondutoras. Semicondutores - materiais de preparação para o Exame Estadual Unificado de Física

Junto com os condutores de eletricidade, existem muitas substâncias na natureza que possuem condutividade elétrica significativamente menor do que os condutores metálicos. Substâncias deste tipo são chamadas de semicondutores.

Os semicondutores incluem: alguns elementos químicos, como selênio, silício e germânio, compostos de enxofre, como sulfeto de tálio, sulfeto de cádmio, sulfeto de prata, carbonetos, como carborundo,carbono (diamante),boro, estanho cinzento, fósforo, antimônio, arsênico, telúrio, iodo e uma série de compostos que incluem pelo menos um dos elementos do 4º ao 7º grupos do sistema periódico. Existem também semicondutores orgânicos.

A natureza da condutividade elétrica de um semicondutor depende do tipo de impurezas presentes no material base do semicondutor e da tecnologia de fabricação de seus componentes.

Um semicondutor é uma substância com 10 -10 - 10 4 (ohm x cm) -1, que, de acordo com essas propriedades, está entre um condutor e um isolante. A diferença entre condutores, semicondutores e isoladores segundo a teoria das bandas é a seguinte: em semicondutores puros e isoladores eletrônicos, existe um gap de energia entre a banda preenchida (valência) e a banda de condução.

Por que os semicondutores conduzem corrente?

Um semicondutor tem condutividade eletrônica se os elétrons externos em seus átomos de impureza estiverem relativamente fracamente ligados aos núcleos desses átomos. Se um campo elétrico for criado em um semicondutor desse tipo, então, sob a influência das forças desse campo, os elétrons externos dos átomos impuros do semicondutor deixarão os limites de seus átomos e se transformarão em elétrons livres.

Os elétrons livres criarão uma corrente de condução elétrica no semicondutor sob a influência das forças do campo elétrico. Conseqüentemente, a natureza da corrente elétrica em semicondutores com condutividade eletrônica é a mesma que nos condutores metálicos. Mas como há muitas vezes menos elétrons livres em um volume unitário de um semicondutor do que em um volume unitário de um condutor metálico, é natural que, sob todas as outras condições idênticas, a corrente em um semicondutor seja muitas vezes menor do que em um condutor metálico.

Um semicondutor tem condutividade de “buraco” se seus átomos de impureza não apenas não cedem seus elétrons externos, mas, ao contrário, tendem a capturar elétrons dos átomos da substância principal do semicondutor. Se um átomo de impureza retira um elétron de um átomo da substância principal, então neste último se forma algo como um espaço livre para um elétron - um “buraco”.

Um átomo semicondutor que perdeu um elétron é chamado de “buraco de elétron” ou simplesmente “buraco”. Se o “buraco” for preenchido com um elétron transferido de um átomo vizinho, ele será eliminado e o átomo se tornará eletricamente neutro, e o “buraco” será deslocado para o átomo vizinho que perdeu o elétron. Conseqüentemente, se um semicondutor com condutividade de “buraco” for exposto a um campo elétrico, então os “buracos de elétrons” se deslocarão na direção desse campo.

Viés "buracos de elétrons" na direção do campo elétrico são semelhantes ao movimento de cargas elétricas positivas no campo e, portanto, representam o fenômeno da corrente elétrica em um semicondutor.

Os semicondutores não podem ser estritamente distinguidos pelo mecanismo de sua condutividade elétrica, uma vez que, junto comCom condutividade “buraco”, um determinado semicondutor pode, de uma forma ou de outra, também ter condutividade eletrônica.

Os semicondutores são caracterizados por:

tipo de condutividade (eletrônica - tipo n, furo - tipo p);

resistividade;

vida útil dos portadores de carga (minoria) ou comprimento de difusão, taxa de recombinação de superfície;

densidade de deslocamento.

O silício é o material semicondutor mais comum

A temperatura tem uma influência significativa nas características dos semicondutores. Um aumento leva predominantemente a uma diminuição na resistividade e vice-versa, ou seja, os semicondutores são caracterizados pela presença de um negativo . Perto do zero absoluto, um semicondutor se torna um isolante.

Os semicondutores são a base de muitos dispositivos. Na maioria dos casos devem ser obtidos na forma de monocristais. Para conferir propriedades específicas, os semicondutores são dopados com várias impurezas. Exigências crescentes são colocadas na pureza dos materiais semicondutores de origem.

Os semicondutores encontraram a mais ampla aplicação na tecnologia moderna e tiveram uma influência muito forte no progresso técnico. Graças a eles é possível reduzir significativamente o peso e as dimensões dos dispositivos eletrônicos. O desenvolvimento de todas as áreas da eletrônica leva à criação e aprimoramento de um grande número de equipamentos diversos baseados em dispositivos semicondutores. Dispositivos semicondutores servem de base para microcélulas, micromódulos, circuitos de estado sólido, etc.

Dispositivos eletrônicos baseados em dispositivos semicondutores são praticamente livres de inércia. Um dispositivo semicondutor cuidadosamente construído e bem vedado pode durar dezenas de milhares de horas. No entanto, alguns materiais semicondutores têm um limite de temperatura baixo (por exemplo, germânio), mas a compensação de temperatura não muito complexa ou a substituição do material principal do dispositivo por outro (por exemplo, silício, carboneto de silício) elimina em grande parte esta desvantagem. Melhorar a tecnologia de fabricação de dispositivos semicondutores leva a uma redução na dispersão existente e na instabilidade dos parâmetros.

O contato semicondutor-metal e a junção elétron-buraco (junção n-p) criados em semicondutores são usados ​​na fabricação de diodos semicondutores. Junções duplas (p-n-p ou n-p-n) - transistores e tiristores. Esses dispositivos são usados ​​principalmente para retificar, gerar e amplificar sinais elétricos.

Com base nas propriedades fotoelétricas dos semicondutores, são criados fotorresistores, fotodiodos e fototransistores. O semicondutor serve como parte ativa dos geradores de oscilação (amplificadores). Quando a corrente elétrica passa por uma junção pn na direção direta, os portadores de carga - elétrons e buracos - se recombinam com a emissão de fótons, que são usados ​​para criar LEDs.

As propriedades termoelétricas dos semicondutores possibilitaram a criação de resistências térmicas semicondutoras, termoelementos semicondutores, termopilhas e geradores termoelétricos, e resfriamento termoelétrico de semicondutores, com base no efeito Peltier, - refrigeradores termoelétricos e termoestabilizadores.

Os semicondutores são usados ​​em conversores sem máquina de energia térmica e solar em eletricidade - geradores termoelétricos e conversores fotoelétricos (baterias solares).

O estresse mecânico aplicado a um semicondutor altera sua resistência elétrica (o efeito é mais forte do que nos metais), que foi a base do extensômetro de semicondutores.

Os dispositivos semicondutores se difundiram na prática mundial, revolucionando a eletrônica; servem de base para o desenvolvimento e produção de:

equipamentos de medição, computadores,

equipamentos para todos os tipos de comunicações e transporte,

para automação de processos na indústria,

dispositivos para pesquisa científica,

tecnologia de foguetes,

equipamento médico

outros dispositivos e instrumentos eletrônicos.

A utilização de dispositivos semicondutores permite criar novos equipamentos e aprimorar os antigos, o que significa redução de suas dimensões, peso, consumo de energia e, portanto, diminuição da geração de calor no circuito, aumento de resistência, prontidão imediata para ação , e pode aumentar a vida útil e a confiabilidade dos dispositivos eletrônicos.

Informação histórica

Os semicondutores, como classe especial de substâncias, são conhecidos desde o final do século XIX, apenas o desenvolvimento da teoria do estado sólido permitiu compreender as suas características muito antes de serem descobertos:

1. efeito da retificação de corrente no contato metal-semicondutor

2. fotocondutividade.

Os primeiros dispositivos baseados neles foram construídos.

O. V. Losev (1923) comprovou a possibilidade de usar contatos de metal semicondutor para amplificar e gerar oscilações (detector de cristal). Contudo, nos anos seguintes, os detectores de cristal foram suplantados pelos tubos de electrões, e só no início dos anos 50, com a descoberta dos transístores (EUA 1949), começou a utilização generalizada de semicondutores (principalmente germânio e silício na rádio electrónica). ao mesmo tempo, iniciou-se um estudo intensivo das propriedades dos semicondutores, o que foi facilitado pelo aprimoramento dos métodos de limpeza e dopagem dos cristais (introdução de certas impurezas no semicondutor).

Na URSS, o estudo dos semicondutores começou no final dos anos 20, sob a liderança de A.F. Ioffe no Instituto Físico-Técnico da Academia de Ciências da URSS.

O interesse pelas propriedades ópticas dos semicondutores aumentou devido à descoberta da emissão estimulada em semicondutores, o que levou à criação de lasers semicondutores, primeiro na junção pn e depois nas heterojunções.

Recentemente, dispositivos baseados na ação de semicondutores tornaram-se mais difundidos. Essas substâncias começaram a ser estudadas há relativamente pouco tempo, mas nem a eletrônica moderna, nem a medicina, nem muitas outras ciências podem prescindir delas.

Propriedades dos semicondutores

Semicondutores- uma ampla classe de substâncias caracterizadas por valores de condutividade elétrica específica d, situando-se na faixa entre a condutividade elétrica específica dos metais e bons dielétricos, ou seja, essas substâncias não podem ser classificadas como dielétricas (porque não são boas isolantes) ou metais (não são bons condutores de corrente elétrica). Os semicondutores, por exemplo, incluem substâncias como germânio, silício, selênio, telúrio, bem como alguns óxidos, sulfetos e ligas metálicas.

Há muito tempo que os semicondutores não atraem muita atenção de cientistas e engenheiros. Um dos primeiros a iniciar pesquisas sistemáticas sobre as propriedades físicas dos semicondutores foi o notável físico soviético Abram Fedorovich Ioffe. Ele descobriu que os semicondutores são uma classe especial de cristais com muitas propriedades notáveis:

1) Com o aumento da temperatura, a resistividade dos semicondutores diminui, ao contrário dos metais, cuja resistividade aumenta com o aumento da temperatura. Além disso, via de regra, em uma ampla faixa de temperatura, esse aumento ocorre exponencialmente:

d = dо ∙ exp. (-ea/kT)

onde ea é a chamada energia de ativação de condução,

dо - coeficiente dependendo da temperatura

A resistividade dos cristais semicondutores também pode diminuir quando expostos à luz ou a campos eletrônicos fortes.

2) A propriedade de condutividade unidirecional do contato de dois semicondutores. É esta propriedade que é utilizada na criação de vários dispositivos semicondutores: diodos, transistores, tiristores, etc.

3) Contatos de vários semicondutores sob certas condições quando iluminados ou aquecidos são fontes de foto-e. d.s. ou, consequentemente, thermo-e. d.s.

A estrutura dos semicondutores e o princípio de seu funcionamento.

Como já mencionado, os semicondutores são uma classe especial de cristais. Os elétrons de valência formam ligações covalentes regulares, mostradas esquematicamente na Fig. Esse semicondutor ideal não conduz corrente elétrica (na ausência de iluminação e exposição à radiação).

Assim como nos não condutores, os elétrons nos semicondutores estão ligados aos átomos, mas essa ligação é muito fraca. À medida que a temperatura aumenta

(T>0 K), sob iluminação ou irradiação, as ligações eletrônicas podem ser quebradas, o que levará à separação de um elétron do átomo (Fig. 2). Tal elétron é um portador de corrente. Quanto maior a temperatura do semicondutor, maior a concentração de elétrons de condução, portanto, menor a resistividade. Assim, a diminuição da resistência dos semicondutores quando aquecidos se deve ao aumento da concentração de portadores de corrente nele.

Ao contrário dos condutores, os portadores de corrente em substâncias semicondutoras podem ser não apenas elétrons, mas também “buracos”. Quando um dos átomos semicondutores perde um elétron, um espaço vazio permanece em sua órbita - um “buraco”; quando um campo elétrico é aplicado ao cristal, o “buraco” como uma carga positiva se move em direção ao vetor E, o que na verdade ocorre devido ao rompimento de alguns vínculos e à restauração de outros. Um “buraco” pode ser convencionalmente considerado uma partícula carregando uma carga positiva.

Condutividade de impurezas .

O mesmo semicondutor tem eletrônico,ou buraco condutividade - depende da composição química das impurezas introduzidas. As impurezas têm um forte efeito na condutividade elétrica dos semicondutores:

por exemplo, milésimos de porcentagem de impurezas podem ser centenas de milhares de vezes

reduzir sua resistência. Este fato, por um lado, indica a possibilidade de alteração das propriedades dos semicondutores; por outro, indica as dificuldades da tecnologia na fabricação de materiais semicondutores com determinadas características.

Ao considerar o mecanismo de influência das impurezas na condutividade elétrica dos semicondutores, dois casos devem ser considerados:

Condutividade eletrônica .

A adição de impurezas ricas em elétrons ao germânio, como arsênico ou antimônio, permite a obtenção de um semicondutor com condutividade eletrônica ou semicondutor tipo n (da palavra latina “negativus” - “negativo”).

Na Fig. A Figura 3a mostra esquematicamente a imagem das ligações eletrônicas a 0 K. Um dos elétrons de valência do arsênio não participa de ligações com outros átomos. À medida que a temperatura aumenta, um elétron pode ser arrancado do átomo (ver Fig. 3b) e, assim, criar condutividade eletrônica.

As impurezas que criam tal condutividade elétrica são chamadas de doadores.

Condutividade do furo

A adição de alumínio, gálio ou índio ao mesmo germânio cria um excesso de buracos no cristal. Então o semicondutor terá condutividade do furo - semicondutor tipo p.

A condutividade elétrica da impureza do buraco é criada por átomos com menos elétrons de valência do que os átomos principais. Na Fig. A Figura 4 mostra esquematicamente as conexões eletrônicas do germânio com uma impureza de boro. A 0 K, todas as ligações estão completas, apenas o boro carece de uma ligação (ver Fig. 4a). No entanto, com o aumento da temperatura, o boro pode saturar as suas ligações às custas dos electrões dos átomos vizinhos (ver Fig. 4b).

Tais impurezas são chamadas de impurezas aceitadoras.

Semicondutores líquidos

A fusão de muitos semicondutores cristalinos é acompanhada por um aumento acentuado em sua condutividade elétrica Q para valores típicos de metais (ver Fig. 5a). No entanto, vários semicondutores (por exemplo, HgSe, HgTe, etc.) são caracterizados pela preservação ou diminuição de Q durante a fusão e os semicondutores mantêm a natureza da dependência de Q com a temperatura (ver Fig. 5b). Alguns semicondutores líquidos, com o aumento adicional da temperatura, perdem suas propriedades semicondutoras e adquirem propriedades metálicas (por exemplo, ligas Te - Se e ligas Te). Ligas Te - Se ricas em Se comportam-se de maneira diferente; sua condutividade elétrica é de natureza puramente semicondutora.

Em semicondutores líquidos, o papel do band gap é desempenhado pela região de energia próxima à densidade mínima de estados no espectro de energia dos elétrons.

Se o mínimo for suficientemente profundo, uma zona de estados quase localizados de portadores de carga com baixa mobilidade (pseudogap) aparece em sua vizinhança. Se os pseudogaps “colapsarem” à medida que a temperatura aumenta, o semicondutor líquido se transforma em metal.

Uso de semicondutores.

Os dispositivos semicondutores mais importantes para a tecnologia - diodos, transistores, tiristores - são baseados no uso de materiais notáveis ​​​​com condutividade eletrônica ou de furo.

O uso generalizado de semicondutores começou há relativamente pouco tempo e agora eles se tornaram amplamente utilizados. Eles convertem energia luminosa e térmica em energia elétrica e, inversamente, criam calor e frio usando eletricidade. Dispositivos semicondutores podem ser encontrados em um receptor de rádio convencional e em um gerador quântico - um laser, em uma minúscula bateria atômica e em microprocessadores.

Os engenheiros não podem viver sem retificadores semicondutores,

interruptores e amplificadores. A substituição de equipamentos tubulares por equipamentos semicondutores tornou possível reduzir em dez vezes o tamanho e o peso dos dispositivos eletrônicos, reduzir seu consumo de energia e aumentar drasticamente a confiabilidade.

Semicondutores são amplamente utilizados em tecnologia. A ação de um diodo semicondutor é baseada em diferentes condutividades (tipo p e n). Quando semicondutores com condutividade p e n entram em contato com uma determinada direção da corrente, uma camada de barreira é criada no circuito (Fig. 19.4) - uma camada elétrica dupla, cujo campo impede a transferência de portadores de carga. Esta é a base da ação do diodo semicondutor, que serve para retificar a corrente alternada. Os retificadores de selênio foram os primeiros a se difundir.

Além dos diodos, os triodos semicondutores também são amplamente utilizados na engenharia de rádio - transistores nos quais existem duas junções p-n: p-n-p ou n-p-n.

A forte dependência da temperatura dos semicondutores é usada em termistores, dispositivos altamente sensíveis para medição de temperatura.

Entre as muitas aplicações dos semicondutores estão também as células solares, cujo funcionamento se baseia na fotocondutividade dos semicondutores - a capacidade de alterar a resistência sob a influência da luz (fenômeno semelhante ao efeito fotoelétrico, que ocorre inteiramente dentro de uma matéria sólida) .

Forças magnéticas

As propriedades magnéticas das substâncias são conhecidas desde a antiguidade. Descrito pelos cientistas antigos como uma pedra que atrai o ferro, é um ímã natural - um mineral frequentemente encontrado na natureza. É composto por compostos de ferro (FeO - 31% e Fe 2 O 3 - 69%). Já em 1600, foi publicado o trabalho de V. Gilbert “Sobre o Ímã, os Corpos Magnéticos e o Grande Ímã da Terra”, que continha uma generalização de um grande número de fatos experimentais. Os principais foram os seguintes:

1) um ímã tem dois pólos - norte e sul, com propriedades diferentes,

2) pólos diferentes se atraem, pólos iguais se repelem;

3) a agulha magnética está localizada no espaço de uma certa maneira, apontando de norte a sul;

4) é impossível obter um ímã com um pólo;

5) A terra é um grande ímã.

A natureza dos fenômenos magnéticos foi revelada somente depois que no século 19 foram estabelecidos fatos experimentais de que a corrente elétrica (cargas em movimento) cria um campo magnético (R. Erstad, 1820).O estudo da interação de condutores com correntes, como resultado dos quais foi descoberto que correntes paralelas de mesma direção são atraídas e as opostas se repelem (J.Amper, I820), levou à conclusão de que as forças de interação entre cargas elétricas em movimento diferem das forças de interação entre cargas estacionárias .

Forças adicionais que surgem entre cargas em movimento são chamadas de forças magnéticas. Isso se deve ao fato de terem sido descobertos pelo efeito da corrente em uma agulha magnética.

Assim, todas as perturbações magnéticas podem ser reduzidas a perturbações eléctricas, e as forças magnéticas, como Einstein mostrou, são uma correcção relativística da lei de Coulomb.

Embora não haja corrente nos condutores, não surgem forças de interação entre eles, porque a carga positiva dos íons da rede cristalina metálica e a carga negativa dos elétrons são distribuídas uniformemente e a carga total dentro do condutor é zero. Na presença de corrente, devido ao movimento dos elétrons, a distância média entre eles é reduzida por um fator, onde

V é a velocidade de deriva dos elétrons. Como resultado, a densidade de carga do elétron aumentará por um fator de dois e, portanto, a carga resultante não será zero. Isso leva à interação de condutores.

Uma das principais propriedades de uma junção p-n é a sua capacidade de passar corrente elétrica em uma direção (direta) milhares e milhões de vezes melhor do que na direção reversa.

Os semicondutores são uma classe de substâncias que ocupam uma posição intermediária entre as substâncias que conduzem bem a corrente elétrica (condutores, principalmente metais) e as substâncias que praticamente não conduzem corrente elétrica (isoladores ou dielétricos).

Os semicondutores são caracterizados por uma forte dependência de suas propriedades e características das quantidades microscópicas de impurezas que contêm. Ao alterar a quantidade de impureza em um semicondutor de dez milionésimos de por cento para 0,1–1%, você pode alterar sua condutividade milhões de vezes. Outra propriedade importante dos semicondutores é que a corrente elétrica é transportada para eles não apenas por cargas negativas - elétrons, mas também por cargas positivas de igual magnitude - buracos.

Se considerarmos um cristal semicondutor idealizado, absolutamente livre de quaisquer impurezas, então sua capacidade de conduzir corrente elétrica será determinada pela chamada condutividade elétrica intrínseca.

Os átomos em um cristal semicondutor são conectados uns aos outros usando elétrons na camada externa de elétrons. Durante as vibrações térmicas dos átomos, a energia térmica é distribuída de forma desigual entre os elétrons formando ligações. Os elétrons individuais podem receber energia térmica suficiente para “se separarem” de seu átomo e serem capazes de se mover livremente no cristal, ou seja, tornarem-se potenciais portadores de corrente (em outras palavras, eles se movem para a banda de condução). Tal saída de elétrons viola a neutralidade elétrica do átomo; ele adquire uma carga positiva igual em magnitude à carga do elétron que partiu. Este espaço vazio é chamado de buraco.

Como o lugar vago pode ser ocupado por um elétron de uma ligação vizinha, o buraco também pode se mover dentro do cristal e se tornar um portador de corrente positivo. Naturalmente, sob estas condições, elétrons e buracos aparecem em quantidades iguais, e a condutividade elétrica de tal cristal ideal será igualmente determinada por cargas positivas e negativas.

Se no lugar de um átomo do semicondutor principal colocarmos um átomo de impureza, cuja camada eletrônica externa contém um elétron a mais do que o átomo do semicondutor principal, então tal elétron se revelará supérfluo, desnecessário para a formação de ligações interatômicas no cristal e fracamente conectadas com seu átomo. Dezenas de vezes menos energia é suficiente para separá-lo de seu átomo e transformá-lo em um elétron livre. Tais impurezas são chamadas de doadoras, ou seja, doadoras de um elétron “extra”. O átomo de impureza é carregado positivamente, é claro, mas nenhum buraco aparece, uma vez que um buraco só pode ser uma vacância de elétrons em uma ligação interatômica não preenchida e, neste caso, todas as ligações são preenchidas. Essa carga positiva permanece associada ao seu átomo, imóvel e, portanto, não pode participar do processo de condutividade elétrica.

A introdução de impurezas em um semicondutor, cuja camada externa de elétrons contém menos elétrons do que nos átomos da substância principal, leva ao aparecimento de ligações não preenchidas, ou seja, buracos. Como mencionado acima, esta vaga pode ser ocupada por um elétron de uma ligação vizinha, e o buraco é capaz de se mover livremente por todo o cristal. Em outras palavras, o movimento de um buraco é uma transição sequencial de elétrons de uma ligação vizinha para outra. Tais impurezas que “aceitam” um elétron são chamadas de impurezas aceitadoras.

Se uma tensão (conforme indicado na figura de polaridade) for aplicada à estrutura do semicondutor metal-dielétrico do tipo n, então surge um campo elétrico na camada próxima à superfície do semicondutor, repelindo os elétrons. Esta camada está esgotada.

Em um semicondutor do tipo p, onde os portadores majoritários são cargas positivas - buracos, a polaridade da tensão que repeliu os elétrons atrairá buracos e criará uma camada enriquecida com resistência reduzida. Uma mudança na polaridade, neste caso, levará à repulsão de buracos e à formação de uma camada próxima à superfície com maior resistência.

Com o aumento na quantidade de impurezas de um tipo ou de outro, a condutividade elétrica do cristal começa a adquirir um caráter eletrônico ou de buraco cada vez mais pronunciado. De acordo com as primeiras letras das palavras latinas negativus e positivus, a condutividade elétrica eletrônica é chamada de condutividade elétrica do tipo n, e a condutividade do buraco é chamada de tipo p, indicando qual tipo de portador de carga móvel para um determinado semicondutor é o principal e qual é o menor.

Com a condutividade elétrica devido à presença de impurezas (ou seja, impureza), ainda restam 2 tipos de portadores no cristal: os principais, que aparecem principalmente devido à introdução de impurezas no semicondutor, e os minoritários, que devem sua aparência à excitação térmica. O conteúdo em 1 cm 3 (concentração) de elétrons n e buracos p para um determinado semicondutor a uma determinada temperatura é um valor constante: n − p = const. Isso significa que, ao aumentar várias vezes a concentração de transportadores de um determinado tipo devido à introdução de impurezas, reduzimos na mesma quantidade a concentração de transportadores de outro tipo. A próxima propriedade importante dos semicondutores é a sua forte sensibilidade à temperatura e à radiação. À medida que a temperatura aumenta, a energia vibratória média dos átomos no cristal aumenta e mais e mais ligações serão quebradas. Mais e mais pares de elétrons e lacunas aparecerão. Em temperaturas suficientemente altas, a condutividade intrínseca (térmica) pode ser igual à condutividade da impureza ou mesmo excedê-la significativamente. Quanto maior a concentração de impurezas, maiores serão as temperaturas em que esse efeito ocorrerá.

As ligações também podem ser quebradas irradiando o semicondutor, por exemplo, com luz, se a energia dos quanta de luz for suficiente para quebrar as ligações. A energia de quebra de ligações é diferente para diferentes semicondutores, portanto eles reagem de maneira diferente a certas partes do espectro de irradiação.

Cristais de silício e germânio são usados ​​​​como principais materiais semicondutores, e boro, fósforo, índio, arsênico, antimônio e muitos outros elementos que conferem as propriedades necessárias aos semicondutores são usados ​​​​como impurezas. A produção de cristais semicondutores com determinado teor de impurezas é um processo tecnológico complexo, realizado em condições especialmente limpas e utilizando equipamentos de alta precisão e complexidade.

Todas as propriedades mais importantes dos semicondutores listadas são usadas para criar dispositivos semicondutores que são muito diversos em suas finalidades e áreas de aplicação. Diodos, transistores, tiristores e muitos outros dispositivos semicondutores são amplamente utilizados em tecnologia. O uso de semicondutores começou há relativamente pouco tempo e hoje é difícil listar todas as suas “profissões”. Eles convertem energia luminosa e térmica em energia elétrica e, inversamente, criam calor e frio usando eletricidade (ver Energia solar). Dispositivos semicondutores podem ser encontrados em um receptor de rádio convencional e em um gerador quântico - um laser, em uma minúscula bateria atômica e em blocos em miniatura de um computador eletrônico. Os engenheiros de hoje não podem prescindir de retificadores, interruptores e amplificadores semicondutores. A substituição de equipamentos tubulares por equipamentos semicondutores tornou possível reduzir em dez vezes o tamanho e o peso dos dispositivos eletrônicos, reduzir seu consumo de energia e aumentar drasticamente a confiabilidade.

Você pode ler sobre isso no artigo Microeletrônica.

Não há nada de extraordinariamente importante ou interessante neste artigo, apenas uma resposta a uma simples pergunta para “manequins”: quais são as principais propriedades que distinguem os semicondutores dos metais e dielétricos?

Semicondutores são materiais (cristais, materiais policristalinos e amorfos, elementos ou compostos) com existência de band gap (entre a banda de condução e a banda de valência).

Semicondutores eletrônicos são cristais e substâncias amorfas que, em termos de condutividade elétrica, ocupam uma posição intermediária entre os metais (σ = 10 4 ÷10 6 Ohm -1 cm -1) e os dielétricos (σ = 10 -10 ÷10 -20 Ohm - 1 cm-1). No entanto, os valores limite de condutividade fornecidos são muito arbitrários.

A teoria das bandas permite formular um critério que permite dividir os sólidos em duas classes - metais e semicondutores (isolantes). Os metais são caracterizados pela presença de níveis livres na banda de valência, para os quais os elétrons podem se mover, recebendo energia adicional, por exemplo, devido à aceleração de um campo elétrico. Uma característica distintiva dos metais é que em seu estado fundamental, não excitado (a 0 K), eles possuem elétrons de condução, ou seja, elétrons que participam de movimentos ordenados sob a influência de um campo elétrico externo.

Em semicondutores e isoladores a 0 K, a banda de valência é completamente preenchida e a banda de condução é separada dela por um band gap e não contém portadores. Portanto, um campo elétrico não muito forte não é capaz de fortalecer os elétrons localizados na banda de valência e transferi-los para a banda de condução. Em outras palavras, tais cristais a 0 K deveriam ser isolantes ideais. Quando a temperatura aumenta ou tal cristal é irradiado, os elétrons podem absorver quanta de energia térmica ou radiante suficiente para se moverem para a banda de condução. Durante essa transição, aparecem lacunas na banda de valência, que também podem participar da transferência de eletricidade. A probabilidade de um elétron ser transferido da banda de valência para a banda de condução é proporcional a ( -Eg/ kT), Onde Eg - largura da zona proibida. Com um grande valor Eg (2-3 eV) esta probabilidade é muito pequena.

Assim, a divisão das substâncias em metais e não metais tem uma base bem definida. Em contraste, a divisão dos não-metais em semicondutores e dielétricos não tem tal base e é puramente condicional.

Anteriormente, acreditava-se que substâncias com band gap poderiam ser classificadas como dielétricas Eg≈ 2÷3 eV, mas depois descobriu-se que muitos deles são semicondutores típicos. Além disso, foi demonstrado que, dependendo da concentração de impurezas ou excesso (acima da composição estequiométrica) de átomos de um dos componentes, o mesmo cristal pode ser tanto um semicondutor quanto um isolante. Isto se aplica, por exemplo, a cristais de diamante, óxido de zinco, nitreto de gálio, etc. Mesmo dielétricos típicos como titanatos de bário e estrôncio, bem como rutilo, após redução parcial, adquirem propriedades de semicondutores, o que está associado ao aparecimento de excesso de átomos metálicos neles.

A divisão dos não metais em semicondutores e dielétricos também tem um certo significado, uma vez que são conhecidos vários cristais cuja condutividade eletrônica não pode ser aumentada visivelmente nem pela introdução de impurezas, nem pela iluminação ou aquecimento. Isto se deve ao tempo de vida muito curto dos fotoelétrons, ou à existência de armadilhas profundas nos cristais, ou à mobilidade muito baixa dos elétrons, ou seja, com uma velocidade extremamente baixa de sua deriva em um campo elétrico.

A condutividade elétrica é proporcional à concentração n, à carga e e à mobilidade dos portadores de carga. Portanto, a dependência da temperatura da condutividade de vários materiais é determinada pelas dependências da temperatura dos parâmetros indicados. Para todos os condutores eletrônicos cobrar e constante e independente da temperatura. Na maioria dos materiais, o valor da mobilidade geralmente diminui ligeiramente com o aumento da temperatura devido a um aumento na intensidade das colisões entre elétrons e fônons em movimento, ou seja, devido ao espalhamento de elétrons por vibrações da rede cristalina. Portanto, o comportamento diferente de metais, semicondutores e dielétricos está principalmente associado à concentração de portadores de carga e à sua dependência da temperatura:

1) nos metais, a concentração de portadores de carga n é alta e muda ligeiramente com as mudanças de temperatura. A variável incluída na equação da condutividade elétrica é a mobilidade. E como a mobilidade diminui ligeiramente com a temperatura, a condutividade elétrica também diminui;

2) em semicondutores e dielétricos n geralmente aumenta exponencialmente com a temperatura. Este rápido crescimento n dá a contribuição mais significativa para mudanças na condutividade do que uma diminuição na mobilidade. Portanto, a condutividade elétrica aumenta rapidamente com o aumento da temperatura. Nesse sentido, os dielétricos podem ser considerados como um certo caso limite, uma vez que em temperaturas normais o valor n nestas substâncias é extremamente pequena. Em altas temperaturas, a condutividade dos dielétricos individuais atinge o nível de semicondutores devido a um aumento n. O oposto também é observado - em baixas temperaturas, alguns semicondutores tornam-se isolantes.

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Alunos do grupo 501 da Faculdade de Química: Bezzubov S.I., Vorobyova N.A., Efimov A.A.