Полупроводниковые материалы

Из большого количества полупроводниковых материалов неорганичес-кого и органического происхождения монокристаллической и поликристал-лической структуры в радиоэлектронике применяют главным образом герма- ний, кремний, селен, карбид кремния и арсенид галлия.

Германий Ge – элемент 4-й группы Периодической системы. В очищен-ном полупроводниковом материале примеси должны составлять не более 10^-9 (% по массе) у германия и не более 10^-11 (% по массе) у кремния.

Германий широко применяют для изготовления диодов, фотоэлементов и других полупроводниковых приборов.

Кремний Si является также элементом 4-й группы. Он широко распрос-транен в природе в виде кремнезема SiO₂, который служит одним из исход-ных веществ для получения технических сортов кремния.

Кремний применяют более широко, чем германий, так как верхний пре-дел рабочей температуры полупроводниковых приборов на основе кремния 130 – 200°С, а на основе германия 80 – 100°С. Кремний применяют в качест-ве основания в интегральных полупроводниковых схемах.

Селен Se – элемент 6-й группы периодической системы. Селен применяют для изготовления фотоэлементов и фоторезисторов.

Карбид кремния SiC представляют собой материал с ярко выраженной нелинейной зависимостью между током и напряжением.

Основной областью применения наиболее чистых сортов карбида крем-ния является производство варисторов, обрадающих нелинейной симмет-ричной вольт-амперной характеристикой и могущих работать в интервале температур от -50 до +80°С. Кроме этого из поликристаллического карбида кремния изготовляют диоды и транзисторы на рабочие температуры до 500°С, а также светодиоды.

Арсенид галлия GaAs представляет собой соединение мышьяка и гал-лия и является монокристаллическим полупроводником. Характерними осо- бенностями арсенида галлия являются большая подвижность электронов и дырок. Это позволяет создавать на основе арсенида галлия приборы,которые могут работать в области высоких частот и повышенных температур. Для

р-п-переходов могут быть допущены рабочие температуры до 300 – 400°С, т.е. значительно выше, чем в приборах на основе германия и кремния.

Аморфные полупроводники. В отличие от рассмотренных полупровод-дниковых материалов кристаллической структуры аморфные полупровод-ники представляют собой специальные стекла.

Простая технология получения халькогенидных стеклообразных полу-проводников, легкость управления их электрическими свойствами обеспечи- вают им широкое применение в РЭА.

Полупроводники по электропроводности занимают промежуточное место между металлическими проводниками и диэлектриками.

Рисунок 12.1 Рисунок 12.2

 

Кристаллическая решетка кремния и германия имеет объемную структуру, но ради наглядности ее можно изобразить плоской, как это сделано на рисунке 6.1. Большими кружочками показаны ионы кремния или германия. Ядра атомов вместе с электроними не внутренних оболочках обладают положительным зарядом +4, который уравновешивается отрицательными зарядами четырех электронов на внешней облочке. Внешние электроны показаны маленькими кружочками. Вместе с электронами соседних атомов они образуют ковалентные связи, показанные линиями на кристаллической решетке.

Чем выше температура полупроводника, тем больше в нем свободных электронов, а следовательно, и ток в полупроводнике. В результате в полупроводнике возникает электронная электропроводность n-типа, такую электропроводность называют собственной. Атомы полупроводника, потерявшие электроны, превращаются в положительно заряженные ионы, которые закреплены на своих местах и не могут перемещаться. Место на внешней орбите атома, покинутое электроном, называется дыркой, которую может занять другой электрон, покинувший свое место в соседнем атоме. В результате такого перескока электрона у соседнего атома тоже появится дырка (рисунок 12.1).

Если к полупроводнику приложить электрическое напряжение, элект-роны будут перемещаться с одних атомов на другие в одном напрвлении, а

дырки – в противоположном. Электропроводность, обусловленная дырочным током, называется дырочной или электропроводностью р-типа.

Таким образом, перемещение электронов и дырок определяет собст-венную электропроводность полупроводника, поскольку носители тока (эле-ктроны и дырки) принадлежат собственным атомам полупроводника. В этом случае общий ток I складывается из электронного I_Э и дырочного I_Д токов, т.е. I = I_Э + I_Д (рисунок 6.2). В случае собственнной электропроводности полупроводника количество электронов N_Э и дырок N_Д равно. Но N_Э > N_Д , так как подвиж-ность электрона больше подвижности дырки. Повижность носителя тока есть отношение скорости перемещения электрона v_Э или скорости перемещения дырки v_Д к напряженности электрического поля Е в полупроводнике. Тогда подвижность электрона μ_Э = v_Э /Е; подвижность дырки μ_Д = v_Д /Е. Таким образом, подвижность показывает, какой путь проходит электрон или дырка при Е = 1 В/см за 1 с. Подвижность электронов в кремнии и германии в два раза выше, чем подвижность дырок, поэтому проводимость носит в основном электронный характер. Учитывая изложен-ное, можно написать выражение для электронного и дырочного токов:

I_Э = N_Э е v_Э = N_Э е μ_Э Е;

I_Д = N_Д е v_Д = N_Д е μ_Д Е,

где е – заряд электрона или дырки.

Тогда общий ток в полупроводнике

I = I_Э + I_Д или I = N_Э е μ_Э Е + N_Д е μ_Д Е.

В случае собственной электропроводности полупроводника число элек-тронов равно числу дырок, т.е. N = N_Э + N_Д , тогда

I = N_Э е(μ_Э + μ_Д )Е.

При температуре абсолютного нуля (-273°С) электроны не обладают подвижностью, поэтому полупроводники становятся диэдектриками.

Рисунок 12.3 Рисунок 12.4

 

Характерным свойством полупроводников является нелинейность зави- симости тока в полупроводнике от приложенного напряжения, (рисунок 12.3), т.е. ток I растет значительно быстрее, чем напряжение U.

При изменении напряжения с +U на -U ток в полупроводнике пойдет в обратном направлении и будет изменяться по такому же закону (рисунок 12.4), это значит, что полупроводник имеет симметричную вольт-амперную характеристику