Загальна характеристика та класифікація напівпровідників

Напівпровідники - широкий клас речовин, які характеризуються значеннями питомої електропровідності σ, проміжними між питомою електропровідністю металів σ~ та діелектриків (σ наведена при кімнатній температурі). Характерна особливість напівпровідників - зростання електропровідності при зростанні температури, причому в широкому інтервалі температур це зростання відбувається експоненціально: де σ 0 -провідність при температурі - енергія активації електропровідності; k - постійна Больцмана. Формула означає, що електрони в напівпровідниках зв’язані з атомами енергією зв’язку порядка EA. З підвищенням температури тепловий рух починає розривати зв’язки електронів, і їх частина стає вільними носіями заряду.

Знаючи ɑ, можна визначити величину EA - енергію активації електропровідності. Для домішкових напівпровідників температурна залежність електропровідності має більш складний вигляд. Зв’язок електронів може бути розірваним не лише тепловим рухом, а й зовнішніми факторами: світлом, радіоактивним випромінюванням, потоком швидких частинок, сильним електричним полем та ін. Можливість у широких межах керувати електропровідністю напівпровідників шляхом зміни температури, введенням домішок є основою їх широкого застосування в мікроелектроніці. Класифікація напівпровідників:

І група - елементи IV групи періодичної системи елементів - Si та Ge. Атоми цих елементів мають чотири валентних електрони, утворюють кристалічні решітки типe алмазу з ковалентним зв’язком атомів.

ІІ група - алмазоподібні напівпровідники (з᾽єднання елементів ІІІ групи (Al, Ga, In) з елементами V групи (Р, As, Sb).Атоми в таких структурах є різнойменно зарядженими. Тому зв’язки в цих кристалах не повністю ковалентні, а й частково іонні. Однак ковалентний зв’язок в них переважає і визначає структуру, в результаті чого ці кристали за багатьма властивостями є найближчими аналогами Si та Ge.

ІІІ група - елементи VІ та V груп періодичної системи елементів. Елементи VI групи (Те, Se) були відомі раніше, ніж Si та Ge, причому Se широко використовувався для виготовлення випрямлячів електричного струму та фото-елементів. Елементи V групи (As, Sb, Bi) - напівметали, близькі до напівпровідників, застосовують як приймачі інфрачервоного випромінювання.

IV група- з’єднання елементів VІ групи з перехідними металами (Ti, V, Mn, Fe, Ni). У таких напівпровідниках переважає іонний зв’язок. Більшість з них має магнітне упорядкування (магнітні напівпровідники). У деяких з них (V2O3, Fe3O4, NiS) при зміні температури та тиску спостерігається фазовий перехід напівпровідник - метал. Закони руху носіїв заряду в напівпровідниках описує зонна теорія твердого тіла. У твердому тілі внаслідок взаємодії сусідніх атомів енергетичні рівні розщеплюються. У результаті цього виникають області (зони) дозволених значень енергії, між якими знаходяться заборонені зони. Якщо кристал є ідеальним, то електрон не може мати в ньому енергію, яка відповідає енергії забороненої зони. Для глибоких рівнів розщеплення є невеликим, оскільки

електрони, які знаходяться на них екрануються зовнішніми оболонками і їх взаємодія з сусідніми атомами не є суттєвим. Зона, яка утворюється цими рівнями, називається валентною. Поряд з глибокими заповненими рівнями, на яких перебувають електрони, в атомі є і більш високі рівні (пусті). Вони можуть бути заповнені, якщо атом захопить зайвий електрон та перетвориться у від’ємно

заряджений іон. У твердому тілі відбувається розщеплення незайнятих рівней та утворення незаповненої зони - зони провідності. При температурі абсолютного нуля вона є повністю вільною, на її рінях немає жодного електрона.

Між валентною зоною та зоною провідності знаходиться заборонена зона. У відповідності до принципу Паулі максимальна кількість електронів, які можуть знаходитись на одному рівні, обмежена. Це означає, що в багатозарядних атомах усі електрони не можуть накопичуватися на нижньому енергетичному рівні, а заповнюють також верхні рівні. Тепловий рух закидає частину електронів з валентної зони в зону провідності, в валентній зоні при цьому з’являються дірки. Електрони та дірки найчастіше накопичуються поблизу нижнього краю (дна) зони провідності Ес або верхнього краю (потолка) валентної зони EV на енергетичних відстанях від них ~kT, що набагато менше ширини дозволених зон.

Для електронів поблизу Ес закон дисперсії має вигляд де i - номер осі координат; ep0 - квазіімпульс, який відповідає Ес; mi - ефективна маса електронів провідності. Аналогічно для дірок Ефективні маси електронів та дірок не збігаються з масою вільного електрона m0 і, як правило, анізотропні, тобто різні для різних і. Їх значення для різних напівпровідників змінюються від сотих часток m0 до сотень m0. Ширина забороненої зони також змінюється в широких межах.

Рисунок - Валентна зона (білі кружечки - дірки) та зона провідності (чорні кружечки-електрони провідності): EЗ -ширина забороненої зони; EC -дно зони провідності; EV - потолок валентної зони