Общие сведения о полупроводниках

Поскольку все электронные приборы должны работать в различных электрических схемах, используемые для их создания материалы представляют интерес прежде всего с точки зрения их важнейшего свойства – способности проводить электрический ток, называемой электропроводностью. Электропроводность материала оценивается с помощью параметра σ, называемого его удельной электрической проводимостью. Часто используется обратная величина ρ = 1/σ, называемая удельным электрическим сопротивлением.

По величине удельной электрической проводимости и, соответственно, удельного электрического сопротивления все материалы разде- ляются на три группы: проводники, имеющие высокую проводимость (σ ≥ 10⁴ Ом^-1см^-1), диэлектрики, имеющие низкую проводимость (σ ≤ 10^-10 Ом^-1см^-1), и занимающие промежуточное положение полупроводники, проводимость которых может изменяться в указанных пределах. Важно отметить, что удельная электрическая проводимость полупроводников может изменяться в зависимости от ряда факторов, таких как температура, наличие в полупроводнике примесных атомов и различных внешних воздействий (электрическое и электромагнитное поле, радиационное воздействие).

К полупроводникам можно отнести около двух тысяч материалов, однако в полупроводниковой электронике находят применение всего несколько десятков материалов, основными из которых являются элементы четвертой группы периодической таблицы Менделеева германий(Ge) и кремний(Si), а также арсенид галлия(GaAs), представляющий собой соединение элементов третьей и пятой группы. Указанные материалы имеют кристаллическую структуру, т.е. все атомы в образце такого материала, называемом монокристаллом, находятся в строго определенных положениях и связаны с соседними атомами устойчивыми связями, образуя периодическую кристаллическую решетку.

Первые полупроводниковые приборы (диоды и транзисторы), появившиеся в начале пятидесятых годов прошлого века, изготавливались из германия, однако начиная с семидесятых годов германиевые приборы постепенно стали вытесняться кремниевыми приборами. В настоящее время именно кремний занял лидирующую позицию как материал, на основе которого изготавливаются полупроводниковые приборы и интегральные схемы.

В последние десятилетия появились и приобрели широкое распространение полупроводниковые приборы на основе арсенида галлия. Этот материал превосходит кремний по некоторым электрофизическим свойствам, однако технологические проблемы не позволяет реализовать на основе арсенида галлия все известные приборы. Поэтому задача замены кремниевых приборов арсенид-галлиевыми не стоит на повестке дня. Вместе с тем особые свойства арсенида галлия позволяют реализовать на его основе совершенно новые приборы, которые не могли быть реализованы на основе германия или кремния, что делает арсенид галлия безусловно перспективным материалом. Помимо отмеченных материалов в последние годы в полупроводниковой электронике находят (пока ограниченное) применение карбид кремния (SiC), нитрид галлия (GaN), фосфид индия (InP)и другие материалы.