Досягнення нанотехнології в напівпровідниках

Велика частина досягнень нанотехнології, до цих пір стосується тільки напівпровідників, аж надто це зручний для маніпуляцій об'єкт. На відміну від напівпровідника в металах набагато більше кількість частинок, які треба брати до уваги, набагато більше енергії в розрахунку на одну частку, та й змінювати треба властивості станів в середині зони, що куди складніше, ніж впливати на стани у її країв.

У напівпровідникових матеріалів є кілька найважливіших якостей:

• Можна відносно легко і в досить широких межах міняти кількість частинок, що визначають провідність, і тим самим керувати електричними;

• Напівпровідники поглинають і випускають електромагнітне випромінювання певних довжин хвиль, що дозволяє управляти оптоелектронними властивостями;

• У напівпровідниках можна сполучати електричні та оптичні властивості;

• Напівпровідники відносно легко і технологічно складаються в структури, різні частини яких мають різні властивості.

Розвиток сучасної напівпровідникової електроніки і перехід до наноелектроніки, пов'язані з використанням напівпровідникових наноматеріалів і нанотехнологій. Очікується, що їх застосування в наноелектроніки призведе до створення наноструктурних мікропроцесорів, збільшенню пропускної спроможності каналів зв'язку, появи нового покоління роботизованих систем, нові можливості пре- доставлять при об'єднанні пристроїв наноелектроніки з наноструктурних сенсорами і т.д. Розвиток наноелектроніки передбачає використання в досягненнях фізики квантоворозмірних систем і включає застосування нанотехнологій, які володіють атомною точністю при отриманні напівпровідникових наноструктур з необхідним хімічним складом і конфігурацією і включають методи комплексної діагностики наноструктур, в тому числі контроль у процесі виготовлення і управління на цій основі технологічними процесами.

 

 

Л2

Електропровідність напівпровідників

Напівпровідники[ред. • ред. код]

Власні напівпровідники зазвичай мають невелику концентрацію вільних носіїв заряду, електронів та дірок, яка залежить від ширини забороненої зони та температури. При збільшенні температури концентрація вільних електронів та дірок дуже швидко зростає. Ефект цього зростання набагато перевищує ефект від збільшення частоти актів розсіяння, тож провідність власних напівпровідників різко збільшується при високих температурах.

Іншим фактором, який збільшує провідність власних напівпровідників, є створення підвищеної концентрації вільних носіїв заряду світловим опроміненням або інжекцією. При поглинанні кванта світла із енергією більшою за ширину забороненої зони в напівпровіднику утворюється пара носіїв заряду — електрон переходить із валентної зони у зону провідності, залишаючи за собою дірку. Якщо до освітленого напівпровідника прикласти напругу, то в напівпровіднику потече доволі значний струм. Така провідність називається фотопровідністю і широко використовується у різноманітних фотоелементах. Аналогічну провідність можна створити при опроміненні швидкими частками, що служить основою роботи напівпровідникових детекторів радіації.

На інжекції зарядів у напівпровідник через контакт ґрунтується робота різноманітних напівпровідникових приладів, наприклад, біполярних транзисторів. Прикладене до контакту електричне поле допомагає частині носіїв заряду подолати потенціальний бар'єр, що відділяє напівпровідник від контакту. Далі провідність відбувається за принципами близькими до принципів роботи вакуумних ламп: створюється область просторового заряду, яка обмежує струм, а отже провідність.

У легованих напівпровідниках навіть при кімнатних температурах концентрація електронів у зоні провідності (напівпровідники n-типу) чи дірок у валентній зоні (напівпровідники p-типу) висока, оскільки для переходу між зоною й домішковим рівнем електрону потрібно набрати набагато меншу енергію (глибина домішкових рівнів зазвичай не перевищує 0.5 еВ). Тому провідність легованих напівпровідників доволі висока й наближається до провідності металів. Вона теж росте із температурою, оскільки для неї фактор збільшення концентрації носіїв у зоні важливіший за збільшення частоти актів розсіяння.

Контакти між областями n-типу й p-типу, які називають p-n переходами мають особливу односторонню провідність. На цьому факті базується робота різноманітних напівпровідникових пристроїв — діодів, транзисторів, фотодіодів, напівпровідникових сонячних елементів, активного шару копіювальних машин, лазерних принтерів тощо.

Напівпровідни́к — матеріал, електропровідність якого має проміжне значення між провідностямипровідника та діелектрика. Відрізняються від провідників сильною залежністю питомої провідності від концентрації домішок, температури і різних видів випромінювання. Основною властивістю цих матеріалів є збільшення електричної провідності з ростом температури.

Напівпровідниками є речовини, ширина забороненої зони яких становить близько кількох електронвольт(еВ). Наприклад, алмаз можна віднести до широкозонних напівпровідників, а арсенід індію — до вузькозонних. До числа напівпровідників належать багато простих речовин хімічних елементів (германій,кремній, селен, телур, арсен та інші), величезна кількість сплавів і хімічних сполук (арсенід галію та інші).

Залежно від того, чи віддає домішковий атом електрон, чи захоплює його, його називають донорними або акцепторними. Характер домішки може змінюватися в залежності від того, який атом ґратки вона заміщує, в яку кристалографічну площину вбудовується.

Провідність напівпровідників сильно залежить від температури. Поблизу абсолютного нуля температури напівпровідники мають властивості діелектриків.

Зміст

[сховати]

· 1 Фізичні властивості

· 2 Зонна структура

· 3 Оптичні властивості напівпровідників

o 3.1 Поглинання світла

· 4 Типи напівпровідників в періодичній системі елементів

· 5 Використання

· 6 Див. також

· 7 Джерела

Фізичні властивості[ред. • ред. код]

Характерна риса напівпровідників — зростання електропровідності зі зростанням температури. При низьких температурах електропровідність мала. При температурі близькій до абсолютного нулянапівпровідники мають властивості ізоляторів. Кремній, наприклад, при низькій температурі погано проводить електричний струм, але під впливом світла, тепла чи напруги електропровідність зростає.

Зонна структура[ред. • ред. код]

 

Зонна структура напівпровідника

Напівпровідники мають повністю заповнену валентну зону, відділену від зони провідності неширокою забороненою зоною. Ширина забороненої зони напівпровідників зазвичай менша за 3 еВ. Неширока заборонена зона призводить до того, що при підвищенні температури ймовірність збудження електрона у зону провідності зростає заекспоненційним законом. Саме цим фактом зумовлене збільшенняелектропровідності власних напівпровідників.

Ще більше на електропровідність напівпровідників впливаютьдомішки — донори й акцептори. Завдяки доволі великій діелектричній проникності домішкові рівні в забороненій зоні розташовані дуже близько до зони провідності чи до валентної зони (< 0.5 еВ), й легкоіонізуються, віддаючи електрони в зону провідності чи забираючи їх із валентної зони. Леговані напівпровідники мають значну електропровідність.

Невелика ширина забороненої зони також сприяє фотопровідностінапівпровідників.

В залежності від концентрації домішок напівпровідники діляться навласні (без домішок), n-типу (донори), p-типу (акцептори) і компенсовані (концентрація донорів урівноважує концентрацію акцепторів, й напівпровідник веде себе, як власний). При дуже високій концентрації домішок напівпровідник стає виродженим і поводить себе якметал.

У напівпровідникових приладах використовуються унікальні властивості контакту областей напівпровідника, одна з яких належить до n-типу, інша до p-типу — так званих p-n переходів. p-п переходи проводять струм лише в одному напрямку. Схожі властивості мають також контакти між напівпровідниками й металами — контакти Шоткі.