Общие сведения о полупроводниках

Полупроводниками электрического тока в соответствии с терминами и определениями ГОСТ Р 52002-2003 называют вещества, основными электрическими свойствами которых является сильная зависимость их электропроводности от воздействия внешних факторов. Полупроводники, обладая при комнатной температуре удельным сопротивлением ρ в пределах от 10^-6 до 10⁸ Ом·м, занимают по электропроводности промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Они, как и металлы, обладают электронной электропроводностью, которая при нормальной температуре больше, чем у проводников, но меньше, чем у диэлектриков.

С точки зрения зонной теории твердого тела на энергетической диаграмме полупроводников характерно наличие не очень широкой запрещенной зоны (рисунок 36), отделяющей заполненную (валентную) зону от свободной зоны (зоны проводимости). Расстояние между соседними энергетическими уровнями в зоне составляет приблизительно 10^-22 эВ. Так как оно столь ничтожно, то зоны можно считать практически непрерывными. Электроны, находящиеся в валентной зоне не могут принимать участия в процессе переноса заряда и образования электрического тока в веществе. Они могут стать свободными носителями заряда только в случае получения ими извне дополнительного количества энергии , равного ширине запрещенной зоны.

Для наиболее широко используемых полупроводников ширина запрещенной зоны составляет (0,8-4,0)×10^-19Дж (0,5-2,5 эВ). У диэлектриков ширина запрещенной зоны примерно на порядок больше. Электропроводность полупроводников в большой степени зависит от внешних энергетических воздействий, а также от различных примесей, иногда в ничтожных количествах присутствующих в полупроводнике. Так, например, введение в химически чистый германий всего 0,001% мышьяка увеличивает удельную электропроводимость германия в 10000 раз.

Рисунок 36. Энергетическая диаграмма полупроводника.

Наличие в кристаллах полупроводника даже небольшого количества примесей, как правило, увеличивает электропроводность полупроводника и изменяет характер ее температурной зависимости. Вспомним, что в металлах примеси всегда снижают электропроводность, не оказывая существенного влияния на характер температурной зависимости. Кроме того, полупроводники отличаются от проводников тем, что в большом интервале температур их удельное сопротивление уменьшается с ростом температуры, т. е. их температурный коэффициент удельного сопротивления отрицательный. Особенно интересно это различие в области низких температур. Как было показано в первой главе, у проводниковых материалов при температуре, стремящейся к абсолютному нулю, удельная электрическая проводимость увеличивается, стремясь к бесконечности и проводники переходят в сверхпроводящее состояние.

В отличие от проводников у полупроводников при уменьшении температуры их удельная электрическая проводимость уменьшается и при стремлении температуры к 0 К полупроводники прекращают проводить электрический ток. Они становятся диэлектриками.

Различие между полупроводниками и диэлектриками не качественное, а лишь количественное. Четкой границы между полупроводниками и диэлектриками не существует.

Зависимость электропроводности полупроводников от примесей и требования высокой чистоты исходного материала явилось одной из главных причин того, что длительное время многие полезные свойства полупроводников не могли использоваться на практике. Только с освоением технологии получения сверхчистых веществ появилась реальная возможность использовать специфические свойства полупроводников при создании электронных приборов.

Электропроводностью полупроводников можно управлять, посредством воздействия на них температуры, света, ядерного излучения, электрического и магнитного поля и механических усилий. Зависимость проводимости от названных выше факторов положена в основу принципа действия терморезисторов (термисторов), фоторезисторов, нелинейных резисторов (варисторов) и тензорезисторов. Полупроводники допускают и обратное преобразование электрической энергии в тепловую, световую или механическую.

Изготовленные из полупроводниковых материалов приборы имеют следующие преимущества: большой срок службы; малые габариты и масса; простота и надежность конструкции, большая механическая прочность, отсутствие цепей накала при замене полупроводниковыми приборами электронных ламп, потребление малой мощности и малая инерционность; экономичность при массовом производстве.

Полупроводники, использующиеся на практике, можно разделить на простые и сложные. Полупроводники, образованные атомами одного химического элемента называют простыми. Полупроводникиобразованные атомами двух или большего числа химических элементов, называют сложными.

В современной полупроводниковой технике наиболее часто используемыми элементами являются кремний, германий и частично селен.

Сложные полупроводники разделяются на химические соединения и композиции (комплексы).

Полупроводниковыми химическими соединениями являются соединения элементов разных групп таблицы Менделеева, например, бинарные соединения, соответствующие общим формулам А^IVВ^IV (например, карбид кремния SiC), А^IIIВ^V (антимонид индия InSb, арсенид галлия GaAs, фосфид галлия GaP), А^IIВ^IV (сульфид свинца PbS, теллурид кадмия CdTe, ZnSe), а также некоторые оксиды (например, Сu₂О) и вещества сложного состава.

К полупроводниковым композициямили полупроводниковым комплексам относятся материалы с полупроводящей или проводящей фазой, например, из карбида кремния и графита, сцепленных глинистой, стеклянной, керамической или другой связкой. Наиболее распространенными из них являются вилит, тирит, силит и др.

Из полупроводников изготавливают выпрямители, усилители и генераторы. Полупроводниковые системы используются для преобразования различных видов энергии в энергию электрического тока с высокими значениями коэффициента преобразования. Примерами полупроводниковых преобразователей могут служить солнечные батареи и термоэлектрические генераторы. При помощи полупроводников можно понизить температуру на несколько десятков градусов. В последние годы особое значение приобрели жидкокристаллические полупроводники, которые используются в устройствах вывода информации.