Тема 3. Полупроводники. Собственный полупроводник. Генерация и рекомбинация носителей зарядов. Уровень Ферми. Эффективная масса носителя заряда. Примесный полупроводник.

Цели и задачи изучения темы:

Целью изучения данной темы является ознакомление с широким клас-сом веществ – полупроводниками и некоторыми понятиями и разделами физики полупроводников.

Полупроводники

Полупроводники, широкий класс веществ с электронным механизмом электропроводности, по её удельному значению s занимающих про-межуточное положение между металлами (s ~ 10⁴—10⁶ Ом^-1•см^-1) и хороши-ми диэлектриками (s ~ 10^-12—10^-11 Ом^-1•см^-1) (интервалы значений s указа-ны при комнатной температуре). Характерной особенностью полупроводни-ков, отличающей их от металлов, является возрастание электропроводности с ростом температуры Т, причём, как правило, в широком интервале темпера-тур возрастание это происходит экспоненциально:

s = s₀ exp (- ξ_A / kT), (3.1.1)

где s₀ – коэффициент (в действительности зависящий от температуры, но медленнее чем экспоненциальный множитель);

ξ_A – энергия активации проводимости (энергия связи электронов с атомами);

k – постоянная Больцмана.

С повышением температуры тепловое движение начинает разрывать связи электронов с атомами, и часть электронов становится свободными но-сителями заряда (носителями тока).

Для разрыва этих связей и генерации подвижных носителей заряда в полупроводниках, требуется конечная (в отличие от металлов), но не слиш-ком большая (в отличие от диэлектриков) энергия. Именно поэтому свойства полупроводниковочень чувствительны к внешним воздействиям, что используется в полупроводниковых приборах с электрическим управлением (полупроводниковые диоды, транзисторы, приборы с зарядовой связью, интегральные схемы и др.); со световым управлением (фотодиоды, полупроводниковые фотоэлементы, солнечные батареи, оптоэлектронные устройства и др.); в приборах, чувствительных к механическим напряжениям (тензодатчики, акусто-электронные приборы и др.), магнитному полю (напр. магнитные датчики) и т.д.

Полупроводники различаются:

· по агрегатному состоянию (твёрдые, жидкие);

· структуре (кристаллические, некристаллические);

· химическому составу (органические, неорганические, элементарные, соединения, сплавы);

· свойствам (магнитные, не магнитные, сегнетоэлектрические и т.д.) и по др. признакам.

Примеры наиболее известных групп веществ, относящихся к полупро-водникам:

1)элементарные полупроводники (Si, Ge и др.);

2) бинарные соединения элементов III и V гр. периодической системы — полупроводники типа A^IIIB^V (GaAs, InSb и др.), A^IIB^VI (например СdS), A^IVB^IV (например SiC), A^IB^VII (CuCl и др.), A^IB^VI (Cu₂O и др.), A^IIIB^VI (GaS и др.), A^IVB^VI (PbS и др.), A^VB^VI (As₂S₃ и др.), A^IB^V (Li₃Sb и др.), A^IIB^VII (ZnCl₂ и др.), A^IIB^V (ZnSb и др.), A^IIB^IV (Mg₂Si и др.), а также Fe₂O_3, EuS и т.п.;

3) тройные соединения типа A^IIB^IVC₂^V (CdGeAs₂ и др.), A^IB^IIIC₂^VI (напр. AgInSe₂), A^VB^VIC₂^VII (SbSl и др.) (римские цифры в надстрочных индек-сах — номера групп периодической системы), а также халькогенидные шпинели типа FeCr₂S₄ ;

4) сложные соединения (напр. cтёкла системы Te—As—Si—Ge);

5) некоторые органические вещества (фталоцианины, полициклич. ароматич. углеводороды и др.).

а

В основе описания свойств проводниковлежит квантовая теория энергетического спектра электронов в конденсированных телах. Её простейший вариант, учитывающий наиболее важные особенности движения электронов во многих кристаллах, зонная теория, позволяет успешно интерпре-тировать различие электрических свойств металлов, полупроводников и диэлектриков и многие другие экспериментальные данные.

Согласно зонной теории в полупроводниках при Т= 0° К верхняя, целиком заполненная зона (валентная зона), отделена от «пустой» зоны (зоны проводимости) энергетической щелью (запрещенной зоной) с конечной шириной E_g £ 2,5 – 3 эВ; при больших значениях E_g вещество считается диэлектриком). Рис. 3.1.1,а,б изображает зонную диаграмму полупроводника при T = 0 (рис. 3.1.1,а) и при T > 0 (рис. 3.1.1,б). Обычно плолупроводник с E_g < 0,5 эВ называется узкозонным полупроводником, с E_g > 1,5 эВ — широкозонным полупроводником. К узкозонным полупроводникам(по свойствам) примыкают бесщелевые полупроводники, у которых заполненная электронами и «пустая» энергетическая зоны смыкаются, и полуметаллы, у которых эти зоны слабо перекрываются.