Halvledarämnen. Halvledare - material för att förbereda för Unified State Exam in Physics

Tillsammans med ledare av elektricitet finns det många ämnen i naturen som har betydligt lägre elektrisk ledningsförmåga än metallledare. Ämnen av detta slag kallas halvledare.

Halvledare inkluderar: vissa kemiska grundämnen, såsom selen, kisel och germanium, svavelföreningar, såsom talliumsulfid, kadmiumsulfid, silversulfid, karbider, såsom karborundum,kol (diamant),bor, grå tenn, fosfor, antimon, arsenik, tellur, jod och ett antal föreningar som innehåller minst ett av elementen i de 4:e - 7:e grupperna i det periodiska systemet. Det finns även organiska halvledare.

Arten av den elektriska ledningsförmågan hos en halvledare beror på typen av föroreningar som finns i halvledarens basmaterial och på tillverkningstekniken för dess komponenter.

En halvledare är ett ämne med 10 -10 - 10 4 (ohm x cm) -1, som enligt dessa egenskaper ligger mellan en ledare och en isolator. Skillnaden mellan ledare, halvledare och isolatorer enligt bandteorin är följande: i rena halvledare och elektroniska isolatorer finns det ett energigap mellan det fyllda bandet (valens) och ledningsbandet.

Varför leder halvledare ström?

En halvledare har elektronisk konduktivitet om de yttre elektronerna i dess föroreningsatomer är relativt svagt bundna till kärnorna i dessa atomer. Om ett elektriskt fält skapas i en halvledare av detta slag, kommer, under påverkan av krafterna i detta fält, de yttre elektronerna i halvledarens föroreningsatomer att lämna gränserna för sina atomer och förvandlas till fria elektroner.

Fria elektroner kommer att skapa en elektrisk ledningsström i halvledaren under påverkan av elektriska fältkrafter. Följaktligen är den elektriska strömmens natur i halvledare med elektronisk ledningsförmåga densamma som i metallledare. Men eftersom det finns många gånger färre fria elektroner i en volymenhet av en halvledare än i en volymenhet av en metallledare, är det naturligt att under alla andra identiska förhållanden kommer strömmen i en halvledare att vara många gånger mindre än i en metallledare.

En halvledare har "hål" ledningsförmåga om dess föroreningsatomer inte bara inte ger upp sina yttre elektroner, utan tvärtom tenderar att fånga elektroner från atomerna i halvledarens huvudämne. Om en föroreningsatom tar en elektron från en atom av huvudämnet, bildas i den senare något som ett fritt utrymme för en elektron - ett "hål".

En halvledaratom som har förlorat en elektron kallas ett "elektronhål" eller helt enkelt ett "hål". Om "hålet" är fyllt med en elektron överförd från en angränsande atom, elimineras den och atomen blir elektriskt neutral, och "hålet" förskjuts till den angränsande atom som har förlorat elektronen. Följaktligen, om en halvledare med "hål"-konduktivitet utsätts för ett elektriskt fält, kommer "elektronhålen" att förskjutas i riktningen för detta fält.

Partiskhet "elektronhål" i det elektriska fältets riktning liknar rörelsen av positiva elektriska laddningar i fältet och representerar därför fenomenet elektrisk ström i en halvledare.

Halvledare kan inte strikt särskiljas genom mekanismen för deras elektriska ledningsförmåga, eftersom, tillsammans medMed "hål"-konduktivitet kan en given halvledare i en eller annan grad också ha elektronisk konduktivitet.

Halvledare kännetecknas av:

typ av konduktivitet (elektronisk - n-typ, hål - p-typ);

resistivitet;

livslängd för laddningsbärare (minoritet) eller diffusionslängd, ytrekombinationshastighet;

dislokationstäthet.

Kisel är det vanligaste halvledarmaterialet

Temperaturen har en betydande inverkan på egenskaperna hos halvledare. En ökning av den leder främst till en minskning av resistiviteten och vice versa, d.v.s. halvledare kännetecknas av närvaron av en negativ . Nära den absoluta nollpunkten blir en halvledare en isolator.

Halvledare är grunden för många enheter. I de flesta fall måste de erhållas i form av enkristaller. För att ge specifika egenskaper doppas halvledare med olika föroreningar. Ökade krav ställs på renheten hos källhalvledarmaterial.

Halvledare har hittat den bredaste tillämpningen inom modern teknik, de har haft ett mycket starkt inflytande på tekniska framsteg. Tack vare dem är det möjligt att avsevärt minska vikten och dimensionerna på elektroniska enheter. Utvecklingen av alla områden inom elektronik leder till skapandet och förbättringen av ett stort antal olika utrustningar baserade på halvledarenheter. Halvledarenheter fungerar som grund för mikroceller, mikromoduler, halvledarkretsar, etc.

Elektroniska enheter baserade på halvledarenheter är praktiskt taget tröghetsfria. En noggrant konstruerad och väl förseglad halvledarenhet kan hålla i tiotusentals timmar. Vissa halvledarmaterial har dock en låg temperaturgräns (till exempel germanium), men inte särskilt komplex temperaturkompensation eller att ersätta enhetens huvudmaterial med ett annat (till exempel kisel, kiselkarbid) eliminerar till stor del denna nackdel. Att förbättra tekniken för tillverkning av halvledarenheter leder till en minskning av den befintliga spridningen och instabiliteten hos parametrar.

Halvledar-metallkontakten och elektronhålövergången (n-p-övergången) som skapas i halvledare används vid tillverkning av halvledardioder. Dubbla korsningar (p-n-p eller n-p-n) - transistorer och tyristorer. Dessa enheter används främst för att likrikta, generera och förstärka elektriska signaler.

Baserat på de fotoelektriska egenskaperna hos halvledare skapas fotoresistorer, fotodioder och fototransistorer. Halvledaren fungerar som den aktiva delen av oscillationsgeneratorer (förstärkare). När elektrisk ström passerar genom en pn-övergång i framåtriktningen, rekombineras laddningsbärare - elektroner och hål - med emissionen av fotoner, som används för att skapa lysdioder.

De termoelektriska egenskaperna hos halvledare gjorde det möjligt att skapa termiska halvledarmotstånd, halvledartermoelement, termoplar och termoelektriska generatorer, och termoelektrisk kylning av halvledare, baserad på Peltier-effekten, - termoelektriska kylskåp och termostabilisatorer.

Halvledare används i maskinlösa omvandlare av termisk och solenergi till elektricitet - termoelektriska generatorer och fotoelektriska omvandlare (solbatterier).

Mekanisk spänning som appliceras på en halvledare ändrar dess elektriska resistans (effekten är starkare än i metaller), vilket var grunden för halvledartöjningsmätaren.

Halvledarenheter har blivit utbredda i världens praxis och revolutionerar elektroniken; de fungerar som grunden för utveckling och produktion av:

mätutrustning, datorer,

utrustning för alla typer av kommunikationer och transporter,

för processautomation inom industrin,

apparater för vetenskaplig forskning,

raketteknik,

medicinsk utrustning

andra elektroniska apparater och instrument.

Användningen av halvledarenheter gör det möjligt att skapa ny utrustning och förbättra den gamla, vilket innebär en minskning av dess dimensioner, vikt, strömförbrukning, och därför en minskning av värmegenerering i kretsen, en ökning av styrkan, omedelbar beredskap för handling , och kan öka livslängden och tillförlitligheten för elektroniska enheter.

Historisk information

Halvledare, som en speciell klass av ämnen, har varit kända sedan slutet av 1800-talet, bara utvecklingen av solid state-teorin gjorde det möjligt att förstå deras egenskaper långt innan de upptäcktes:

1. effekt av strömlikriktning vid metall-halvledarkontakten

2. fotokonduktivitet.

De första enheterna baserade på dem byggdes.

O. V. Losev (1923) bevisade möjligheten att använda halvledar-metallkontakter för att förstärka och generera svängningar (kristalldetektor). Emellertid ersattes kristalldetektorer under de följande åren av elektronrör, och först i början av 50-talet, med upptäckten av transistorer (USA 1949), började den utbredda användningen av halvledare (främst germanium och kisel i radioelektronik). Samtidigt började intensiva studier av halvledarnas egenskaper, vilket underlättades av förbättringen av metoder för att rengöra kristaller och dopa dem (införa vissa föroreningar i halvledaren).

I Sovjetunionen började studiet av halvledare i slutet av 20-talet under ledning av A.F. Ioffe vid det fysikaliska-tekniska institutet vid USSR Academy of Sciences.

Intresset för de optiska egenskaperna hos halvledare har ökat på grund av upptäckten av stimulerad emission i halvledare, vilket ledde till skapandet av halvledarlasrar, först på p-n-övergången och sedan på heteroövergångar.

Nyligen har enheter baserade på verkan av halvledare blivit mer utbredda. Dessa ämnen började studeras relativt nyligen, men varken modern elektronik, medicin eller många andra vetenskaper kan klara sig utan dem.

Egenskaper för halvledare

Halvledare- en bred klass av ämnen, kännetecknad av värden för specifik elektrisk ledningsförmåga d, som ligger i intervallet mellan den specifika elektriska ledningsförmågan hos metaller och bra dielektrika, det vill säga dessa ämnen kan inte klassificeras som någon av dielektrikum (eftersom de inte är bra isolatorer) eller metaller (de är inte bra ledare av elektrisk ström). Halvledare inkluderar till exempel ämnen som germanium, kisel, selen, tellur, samt vissa oxider, sulfider och legeringar av metaller.

Halvledare har inte tilldragit sig mycket uppmärksamhet från forskare och ingenjörer på länge. En av de första som påbörjade systematisk forskning om halvledarnas fysikaliska egenskaper var den framstående sovjetiske fysikern Abram Fedorovich Ioffe. Han fick reda på att halvledare är en speciell klass av kristaller med många anmärkningsvärda egenskaper:

1) Med ökande temperatur minskar resistiviteten hos halvledare, till skillnad från metaller, vars resistivitet ökar med ökande temperatur. Dessutom, som regel, över ett brett temperaturområde, sker denna ökning exponentiellt:

d = dо ∙ exp. (-ea/kT)

där ea är den så kallade ledningsaktiveringsenergin,

dо - koefficient beroende på temperatur

Resistiviteten hos halvledarkristaller kan också minska när de utsätts för ljus eller starka elektroniska fält.

2) Egenskapen för envägskonduktivitet för kontakten mellan två halvledare. Det är denna egenskap som används vid skapandet av olika halvledarenheter: dioder, transistorer, tyristorer, etc.

3) Kontakter av olika halvledare under vissa förhållanden när de är upplysta eller uppvärmda är källor till foto-e. d.s. eller, följaktligen, termo-e. d.s.

Halvledares struktur och principen för deras funktion.

Som redan nämnts är halvledare en speciell klass av kristaller. Valenselektroner bildar regelbundna kovalenta bindningar, som visas schematiskt i Fig. 1. En sådan idealisk halvledare leder inte elektrisk ström alls (i frånvaro av belysning och strålningsexponering).

Precis som i icke-ledare är elektroner i halvledare bundna till atomer, men denna bindning är mycket svag. När temperaturen stiger

(T>0 K), under belysning eller bestrålning kan elektroniska bindningar brytas, vilket kommer att leda till separation av en elektron från atomen (Fig. 2). En sådan elektron är en strömbärare. Ju högre temperatur på halvledaren, desto högre koncentration av ledningselektroner, därför desto lägre resistivitet. Således beror minskningen av motståndet hos halvledare när de värms upp på en ökning av koncentrationen av strömbärare i den.

Till skillnad från ledare kan strömbärare i halvledarämnen inte bara vara elektroner utan också "hål". När en av halvledaratomerna förlorar en elektron finns ett tomt utrymme kvar i dess omloppsbana - ett "hål"; när ett elektriskt fält appliceras på kristallen rör sig "hålet" som en positiv laddning mot vektor E, vilket faktiskt uppstår pga. till att bryta vissa band och återupprätta andra. Ett "hål" kan konventionellt betraktas som en partikel som bär en positiv laddning.

Orenhetskonduktivitet .

Samma halvledare har antingen elektronisk,eller hål konduktivitet - detta beror på den kemiska sammansättningen av de införda föroreningarna. Föroreningar har en stark effekt på den elektriska ledningsförmågan hos halvledare:

till exempel kan tusendelar av en procent av föroreningar vara hundratusentals gånger

minska deras motstånd. Detta faktum indikerar å ena sidan möjligheten att ändra egenskaperna hos halvledare, å andra sidan indikerar det teknologins svårigheter vid tillverkning av halvledarmaterial med givna egenskaper.

När man överväger mekanismen för påverkan av föroreningar på den elektriska ledningsförmågan hos halvledare, bör två fall övervägas:

Elektronisk ledningsförmåga .

Att tillsätta elektronrika föroreningar till germanium, såsom arsenik eller antimon, gör det möjligt att erhålla en halvledare med elektronisk ledningsförmåga eller n-typ halvledare (från det latinska ordet "negativus" - "negativ").

I fig. Figur 3a visar schematiskt bilden av elektronbindningar vid 0 K. En av valenselektronerna i arsenik deltar inte i bindningar med andra atomer. När temperaturen ökar kan en elektron slitas bort från atomen (se fig. 3b) och därigenom skapa elektronisk ledningsförmåga.

Föroreningar som skapar sådan elektrisk ledningsförmåga kallas donatorer.

Hålens ledningsförmåga

Tillsatsen av aluminium, gallium eller indium till samma germanium skapar ett överskott av hål i kristallen. Då kommer halvledaren att ha hålets ledningsförmåga - halvledare av p-typ.

Hålföroreningars elektriska ledningsförmåga skapas av atomer som har färre valenselektroner än huvudatomerna. I fig. Figur 4 visar schematiskt de elektroniska anslutningarna av germanium med en borförorening. Vid 0 K är alla bindningar kompletta, endast bor saknar en bindning (se fig. 4a). Men med ökande temperatur kan bor mätta sina bindningar på bekostnad av elektroner från angränsande atomer (se fig. 4b).

Sådana föroreningar kallas acceptorföroreningar.

Flytande halvledare

Smältningen av många kristallina halvledare åtföljs av en kraftig ökning av deras elektriska ledningsförmåga Q till värden som är typiska för metaller (se fig. 5a). Emellertid kännetecknas ett antal halvledare (till exempel HgSe, HgTe, etc.) av bevarande eller minskning av Q under smältning och halvledarna behåller karaktären av temperaturberoendet hos Q (se fig. 5b). Vissa flytande halvledare, med en ytterligare ökning av temperaturen, förlorar sina halvledande egenskaper och förvärvar metalliska egenskaper (till exempel Te - Se-legeringar och Te-legeringar). Te - Se-legeringar som är rika på Se beter sig annorlunda, deras elektriska ledningsförmåga är rent halvledare till sin natur.

I flytande halvledare spelas bandgapets roll av energiområdet nära den minsta tätheten av tillstånd i elektronernas energispektrum.

Om minimumet är tillräckligt djupt uppstår en zon av nästan lokaliserade tillstånd av laddningsbärare med låg rörlighet (pseudogap) i dess närhet. Om pseudogapsna "kollapsar" när temperaturen ökar, förvandlas den flytande halvledaren till en metall.

Användning av halvledare.

De viktigaste halvledarenheterna för teknik - dioder, transistorer, tyristorer är baserade på användningen av anmärkningsvärda material med elektronisk eller hålledningsförmåga.

Den utbredda användningen av halvledare började relativt nyligen, och nu har de blivit mycket använda. De omvandlar ljus och termisk energi till elektrisk energi och skapar omvänt värme och kyla med el. Halvledarenheter kan hittas i en konventionell radiomottagare och i en kvantgenerator - en laser, i ett litet atombatteri och i mikroprocessorer.

Ingenjörer klarar sig inte utan halvledarlikriktare,

switchar och förstärkare. Att ersätta rörutrustning med halvledarutrustning har gjort det möjligt att minska storleken och vikten på elektroniska enheter tio gånger, minska deras strömförbrukning och dramatiskt öka tillförlitligheten.

Halvledare används ofta inom tekniken. Verkan hos en halvledardiod baseras på olika konduktivitet (p- och n-typ). När halvledare med p- och n-konduktivitet kommer i kontakt med en viss strömriktning skapas ett barriärskikt i kretsen (fig. 19.4) - ett dubbelt elektriskt skikt, vars fält förhindrar överföring av laddningsbärare. Detta är grunden för verkan av halvledardioden, som tjänar till att likrikta växelström. Selenlikriktare var bland de första som fick stor spridning.

Förutom dioder används halvledartrioder också i stor utsträckning inom radioteknik - transistorer där det finns två p-n-övergångar: antingen p-n-p eller n-p-n.

Halvledares starka temperaturberoende används i termistorer, mycket känsliga enheter för temperaturmätning.

Bland de många tillämpningarna av halvledare finns också solceller, vars funktion är baserad på halvledares fotokonduktivitet - förmågan att ändra resistans under påverkan av ljus (ett fenomen som liknar den fotoelektriska effekten, som helt och hållet sker inom en fast materia) .

Magnetiska krafter

De magnetiska egenskaperna hos ämnen har varit kända sedan urminnes tider. Beskrevs av forntida vetenskapsmän som en sten som attraherar järn, det är en naturlig magnet - ett mineral som ganska ofta finns i naturen. Den består av järnföreningar (FeO - 31 % och Fe 2 O 3 - 69 %). Redan år 1600 publicerades V. Gilberts verk "On the Magnet, Magnetic Bodies and the Great Magnet of the Earth", som innehöll en generalisering av ett stort antal experimentella fakta. De viktigaste var följande:

1) en magnet har två poler - norr och söder, olika i deras egenskaper,

2) till skillnad från poler attraherar, lika poler stöter bort;

3) den magnetiska nålen är placerad i rymden på ett visst sätt, pekar norr till söder;

4) det är omöjligt att få en magnet med en pol;

5) Jorden är en stor magnet.

Magnetfenomens natur avslöjades först efter att experimentella fakta fastställdes på 1800-talet att elektrisk ström (rörelseladdningar) skapar ett magnetfält (R. Erstad, 1820) Studiet av ledares interaktion med strömmar, som ett resultat av vilka man fann att parallella strömmar i samma riktning attraheras och de motsatta stöter bort (J.Amper, I820), ledde till slutsatsen att krafterna för växelverkan mellan rörliga elektriska laddningar skiljer sig från växelverkan mellan stationära laddningar .

Ytterligare krafter som uppstår mellan rörliga laddningar kallas magnetiska krafter. Detta beror på det faktum att de upptäcktes av effekten av ström på en magnetisk nål.

Således kan alla magnetiska störningar reduceras till elektriska, och magnetiska krafter, som Einstein visade, är en relativistisk korrigering av Coulombs lag.

Medan det inte finns någon ström i ledarna, uppstår inga interaktionskrafter mellan dem, eftersom den positiva laddningen av jonerna i metallkristallgittret och den negativa laddningen av elektronerna är jämnt fördelade och den totala laddningen inuti ledaren är noll. I närvaro av ström, på grund av elektronernas rörelse, minskas det genomsnittliga avståndet mellan dem med en faktor, där

V är elektronernas drifthastighet. Som ett resultat kommer elektronladdningstätheten att öka med en faktor två och därför blir den resulterande laddningen inte noll. Detta leder till interaktion mellan ledare.

En av huvudegenskaperna hos en p-n-övergång är dess förmåga att passera elektrisk ström i en (framåt) riktning tusentals och miljoner gånger bättre än i motsatt riktning.

Halvledare är en klass av ämnen som intar en mellanposition mellan ämnen som leder elektrisk ström väl (ledare, främst metaller) och ämnen som praktiskt taget inte leder elektrisk ström (isolatorer eller dielektriska).

Halvledare kännetecknas av ett starkt beroende av deras egenskaper och egenskaper på de mikroskopiska mängderna av föroreningar de innehåller. Genom att ändra mängden föroreningar i en halvledare från tio miljondelar av en procent till 0,1–1 % kan du ändra deras konduktivitet miljontals gånger. En annan viktig egenskap hos halvledare är att elektrisk ström förs in i dem inte bara av negativa laddningar - elektroner, utan också av positiva laddningar av samma storlek - hål.

Om vi ​​betraktar en idealiserad halvledarkristall, absolut fri från föroreningar, kommer dess förmåga att leda elektrisk ström att bestämmas av den så kallade inre elektriska konduktiviteten.

Atomer i en halvledarkristall är anslutna till varandra med hjälp av elektroner i det yttre elektronskalet. Under termiska vibrationer av atomer fördelas termisk energi ojämnt mellan elektronerna som bildar bindningar. Enskilda elektroner kan få tillräckligt med värmeenergi för att "bryta sig loss" från sin atom och kunna röra sig fritt i kristallen, d.v.s. bli potentiella strömbärare (med andra ord, de rör sig in i ledningsbandet). Sådan elektronavgång bryter mot atomens elektriska neutralitet; den får en positiv laddning som är lika stor som laddningen för den avlidna elektronen. Detta lediga utrymme kallas ett hål.

Eftersom den lediga platsen kan upptas av en elektron från en angränsande bindning, kan hålet även röra sig inuti kristallen och bli en positiv strömbärare. Naturligtvis, under dessa förhållanden, uppträder elektroner och hål i lika stora mängder, och den elektriska ledningsförmågan hos en sådan idealisk kristall kommer att bestämmas lika mycket av både positiva och negativa laddningar.

Om vi ​​i stället för en atom i huvudhalvledaren placerar en föroreningsatom, vars yttre elektronskal innehåller en elektron mer än atomen i huvudhalvledaren, kommer en sådan elektron att visa sig vara överflödig, onödig för bildandet av interatomiska bindningar i kristallen och svagt förbundna med dess atom. Tiotals gånger mindre energi räcker för att slita bort den från sin atom och förvandla den till en fri elektron. Sådana föroreningar kallas donator, det vill säga donerar en "extra" elektron. Föroreningsatomen laddas naturligtvis positivt, men inget hål uppstår, eftersom ett hål bara kan vara en elektronvakans i en ofylld interatomisk bindning, och i detta fall är alla bindningar fyllda. Denna positiva laddning förblir associerad med sin atom, orörlig och kan därför inte delta i processen för elektrisk ledningsförmåga.

Införandet av föroreningar i en halvledare, vars yttre elektronskal innehåller färre elektroner än i huvudämnets atomer, leder till uppkomsten av ofyllda bindningar, d.v.s. hål. Som nämnts ovan kan denna vakans upptas av en elektron från en angränsande bindning, och hålet kan röra sig fritt genom hela kristallen. Med andra ord är rörelsen av ett hål en sekventiell övergång av elektroner från en närliggande bindning till en annan. Sådana föroreningar som "accepterar" en elektron kallas acceptorföroreningar.

Om en spänning (som indikeras i polaritetsdiagrammet) appliceras på den metall-dielektriska halvledarstrukturen av n-typen, uppstår ett elektriskt fält i halvledarens ytnära skikt, vilket avvisar elektroner. Detta lager visar sig vara utarmat.

I en halvledare av p-typ, där majoriteten av bärarna är positiva laddningar - hål, kommer polariteten hos spänningen som stötte bort elektroner att attrahera hål och skapa ett anrikat lager med minskat motstånd. En förändring i polaritet i detta fall kommer att leda till avstötning av hål och bildandet av ett ytnära skikt med ökat motstånd.

Med en ökning av mängden föroreningar av en eller annan typ, börjar den elektriska ledningsförmågan hos kristallen att få en allt mer uttalad elektronisk eller hålkaraktär. I enlighet med de första bokstäverna i de latinska orden negativus och positivus kallas elektronisk elektrisk ledningsförmåga n-typ elektrisk ledningsförmåga, och hålledningsförmåga kallas p-typ, vilket indikerar vilken typ av mobila laddningsbärare för en given halvledare som är den huvudsakliga och som är den mindre.

Med elektrisk ledningsförmåga på grund av närvaron av föroreningar (d.v.s. föroreningar) finns det fortfarande 2 typer av bärare kvar i kristallen: de viktigaste, som uppträder främst på grund av införandet av föroreningar i halvledaren, och minoritetsbärare, som deras utseende beror på termisk excitation. Innehållet i 1 cm 3 (koncentration) av elektroner n och hål p för en given halvledare vid en given temperatur är ett konstant värde: n − p = konst. Detta innebär att, genom att öka koncentrationen av bärare av en given typ med flera gånger på grund av införandet av föroreningar, minskar vi koncentrationen av bärare av en annan typ med samma mängd. Nästa viktiga egenskap hos halvledare är deras starka känslighet för temperatur och strålning. När temperaturen stiger ökar den genomsnittliga vibrationsenergin för atomerna i kristallen, och fler och fler bindningar kommer att brytas. Fler och fler par av elektroner och hål kommer att dyka upp. Vid tillräckligt höga temperaturer kan den inneboende (termiska) ledningsförmågan vara lika med föroreningskonduktiviteten eller till och med överskrida den avsevärt. Ju högre koncentration av föroreningar, desto högre temperaturer kommer denna effekt att uppstå.

Bindningar kan också brytas genom att bestråla halvledaren, till exempel med ljus, om energin hos ljuskvanta är tillräcklig för att bryta bindningarna. Energin för att bryta bindningar är olika för olika halvledare, så de reagerar olika på vissa delar av bestrålningsspektrumet.

Kisel- och germaniumkristaller används som de viktigaste halvledarmaterialen, och bor, fosfor, indium, arsenik, antimon och många andra element som ger de nödvändiga egenskaperna till halvledare används som föroreningar. Produktionen av halvledarkristaller med en given föroreningshalt är en komplex teknisk process, utförd under särskilt rena förhållanden med hjälp av utrustning med hög precision och komplexitet.

Alla de angivna viktigaste egenskaperna hos halvledare används för att skapa halvledarenheter som är mycket olika i sina syften och användningsområden. Dioder, transistorer, tyristorer och många andra halvledarenheter används ofta inom tekniken. Användningen av halvledare började relativt nyligen, och idag är det svårt att lista alla deras "yrken". De omvandlar ljus och termisk energi till elektrisk energi och, omvänt, skapar värme och kyla med el (se Solenergi). Halvledarenheter kan hittas i en konventionell radiomottagare och i en kvantgenerator - en laser, i ett litet atombatteri och i miniatyrblock av en elektronisk dator. Ingenjörer idag klarar sig inte utan halvledarlikriktare, switchar och förstärkare. Att ersätta rörutrustning med halvledarutrustning har gjort det möjligt att minska storleken och vikten på elektroniska enheter tio gånger, minska deras strömförbrukning och dramatiskt öka tillförlitligheten.

Du kan läsa om detta i artikeln Microelectronics.

Det finns inget extra viktigt eller intressant i den här artikeln, bara ett svar på en enkel fråga för "dummies": vilka är de viktigaste egenskaperna som skiljer halvledare från metaller och dielektrika?

Halvledare är material (kristaller, polykristallina och amorfa material, grundämnen eller föreningar) med förekomsten av ett bandgap (mellan ledningsbandet och valensbandet).

Elektroniska halvledare är kristaller och amorfa ämnen som, vad gäller elektrisk ledningsförmåga, upptar en mellanposition mellan metaller (σ = 10 4 ÷10 6 Ohm -1 cm -1) och dielektrikum (σ = 10 -10 ÷10 -20 Ohm - 1 cm-1). De givna gränsvärdena för konduktivitet är dock mycket godtyckliga.

Bandteori gör det möjligt att formulera ett kriterium som gör det möjligt att dela in fasta ämnen i två klasser - metaller och halvledare (isolatorer). Metaller kännetecknas av närvaron av fria nivåer i valensbandet, till vilka elektroner kan röra sig och ta emot ytterligare energi, till exempel på grund av acceleration i ett elektriskt fält. Ett utmärkande drag för metaller är att de i sitt markade, oexciterade tillstånd (vid 0 K) har ledningselektroner, d.v.s. elektroner som deltar i ordnad rörelse under påverkan av ett yttre elektriskt fält.

I halvledare och isolatorer vid 0 K är valensbandet helt befolkat, och ledningsbandet är separerat från det av ett bandgap och innehåller inte bärare. Därför kan ett inte alltför starkt elektriskt fält inte stärka elektronerna i valensbandet och överföra dem till ledningsbandet. Med andra ord bör sådana kristaller vid 0 K vara idealiska isolatorer. När temperaturen ökar eller en sådan kristall bestrålas kan elektroner absorbera mängder av termisk eller strålningsenergi som är tillräcklig för att flytta in i ledningsbandet. Under denna övergång uppstår hål i valensbandet, som också kan delta i överföringen av elektricitet. Sannolikheten för att en elektron överförs från valensbandet till ledningsbandet är proportionell mot ( -Eg/ kT), Var Eg - den förbjudna zonens bredd. Med ett stort värde Eg (2-3 eV) visar sig denna sannolikhet vara mycket liten.

Sålunda har uppdelningen av ämnen i metaller och icke-metaller en mycket bestämd grund. Däremot har inte uppdelningen av icke-metaller i halvledare och dielektriska en sådan grund och är rent villkorad.

Tidigare trodde man att ämnen med bandgap kunde klassificeras som dielektriska Eg≈ 2÷3 eV, men senare visade det sig att många av dem är typiska halvledare. Dessutom visades det att, beroende på koncentrationen av föroreningar eller överskott (över den stökiometriska sammansättningen) atomer i en av komponenterna, kan samma kristall vara både en halvledare och en isolator. Det gäller till exempel kristaller av diamant, zinkoxid, galliumnitrid m.m. Även sådana typiska dielektrika som barium- och strontiumtitanater, såväl som rutil, förvärvar vid partiell reduktion egenskaperna hos halvledare, vilket är förknippat med utseendet av överskott av metallatomer i dem.

Uppdelningen av icke-metaller i halvledare och dielektriska har också en viss innebörd, eftersom ett antal kristaller är kända vars elektroniska ledningsförmåga inte kan märkbart ökas vare sig genom att införa föroreningar eller genom belysning eller uppvärmning. Detta beror antingen på den mycket korta livslängden för fotoelektroner, eller på förekomsten av djupa fällor i kristaller, eller på den mycket låga rörligheten för elektroner, d.v.s. med en extremt låg hastighet av deras drift i ett elektriskt fält.

Elektrisk ledningsförmåga är proportionell mot koncentrationen n, laddningen e och laddningsbärarnas rörlighet. Därför bestäms temperaturberoendet av konduktiviteten hos olika material av temperaturberoendet för de angivna parametrarna. För alla elektroniska ledare avgift e konstant och oberoende av temperatur. I de flesta material minskar vanligtvis rörlighetsvärdet något med stigande temperatur på grund av en ökning av intensiteten av kollisioner mellan rörliga elektroner och fononer, d.v.s. på grund av elektronspridning genom vibrationer i kristallgittret. Därför är det olika beteendet hos metaller, halvledare och dielektrika huvudsakligen förknippat med laddningsbärarkoncentrationen och dess temperaturberoende:

1) i metaller är koncentrationen av laddningsbärare n hög och ändras något med temperaturförändringar. Variabeln som ingår i ekvationen för elektrisk konduktivitet är rörlighet. Och eftersom rörligheten minskar något med temperaturen, minskar också den elektriska ledningsförmågan;

2) i halvledare och dielektrikum nökar vanligtvis exponentiellt med temperaturen. Denna snabba tillväxt n ger det mest betydande bidraget till förändringar i konduktivitet än en minskning av rörligheten. Därför ökar den elektriska ledningsförmågan snabbt med ökande temperatur. I denna mening kan dielektrikum betraktas som ett visst begränsningsfall, eftersom värdet vid vanliga temperaturer n i dessa ämnen är extremt liten. Vid höga temperaturer når konduktiviteten hos individuella dielektrika halvledarnivån på grund av en ökning n. Motsatsen observeras också - vid låga temperaturer blir vissa halvledare isolatorer.

Bibliografi

1. West A. Kemi av fasta ämnen. Del 2 Per. från engelska - M.: Mir, 1988. - 336 sid.
2. Modern kristallografi. T.4. Fysikaliska egenskaper hos kristaller. - M.: Nauka, 1981.

Studenter i grupp 501 vid fakulteten för kemi: Bezzubov S.I., Vorobyova N.A., Efimov A.A.