Полупроводники – это вещества, основным свойством которых является сильная зависимость их электропроводности от воздействия внешних факторов. К внешним факторам в данном случае следует отнести действие теплового, электрического поля, радиационных полей и т.д.

По величине удельного электрического сопротивления полупроводники ( Ом·м) занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Но эти границы довольно условны и к тому же в ряде случаев перекрываются. Согасно зонной теории твердых тел к полупроводникам относят вещества, имеющие ширину запрещенной зоны не более 3 эВ (= 0,05…3 эВ) (см. рис. 1.10).

К полупроводникам относится большая группа самых различных веществ. Из них 12 простых веществ: бор, углерод, кремний, фосфор, сера, германий, мышьяк, серое олово, сурьма, теллур, йод, селен.

Полупроводниками являются также бинарные соединения типов:

1) AB^VII                    (AgCl, CaBr и др.);

2) AB^VI                    (CdS, CdSe и др.);

3) А^ШВ^V                      (GaP, GaAs и др.);

4) A^IVB^IV                     (PbS, GeO₂ и др.);

5) A¹B^VI                      (CuS и др.),

где Аⁱ – элемент i-й группы; B^j – элемент j-й группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева.

Полупроводниковые свойства присущи тройным соединениям:

1) A^IB^VIIC^VI                 (CuAlS₂, CuJnS₂ и др.);

2) A¹B^VC^VI                  (CuSbS₂, CaAsS₂ и др.);

3) A^IB^VIIIC^VI                     (CuFeSe₂ и др.);

4) A^IIB^IVC^V                 (ZnSiAs₂, ZnGeAs и др.);

5) A^IVB^VC^VI(PbBiSe)

и твердым растворам, например: GeSiJnGaSb; GaAsP и т.д.

Кроме неорганических веществ полупроводниковыми свойствами обладают также и некоторые органические соединения, такие как фталоцианы и полициклические ароматические углеводороды (бензол, нафталин и др.).

Особенности электрофизических свойств полупроводников обусловили их широкое применение при создании самых различных приборов.

Полупроводниковые приборы используются для выпрямления тока (диоды), усиления и генерации электромагнитных колебаний (транзисторы), преобразования тепловой энергии и энергии излучения в электрическую (термоэлементы и фотоэлементы), преобразования электрической энергии в световую (светодиоды и оптические квантовые генераторы).

Полупроводниковые приборы применяются в качестве «датчиков» для измерения температуры (терморезисторы), регистрации светового и корпускулярного излучения (фоторезисторы и дозиметры), регистрации давления (тензодатчики), исследования магнитных полей (датчики Холла) и т.д.

По механизму образования свободных носителей заряда полупроводники можно разделить на собственные и примесные. Собственными полупроводниками называют полупроводники, не содержащие донорных и акцепторных примесей.

Рассмотрим механизм образования свободных носителей зарядов в собственном полупроводнике, например, в германии. Атом германия имеет на внешней электронной оболочке четыре валентных электрона. При кристаллизации германий образует гранецентрическую кубическую решетку.

В кристаллической решетке германия каждый атом, находящийся в узле кристаллической решетки, связан парно-электронными ковалентными связями с четырьмя соседними атомами. При Т  0 К, а также в отсутствии других энергетических воздействий все валентные электроны задействованы в образовании парноэлектронных ковалентных связей, свободные носители зарядов отсутствуют, и полупроводник по величине электропроводности соответствует диэлектрикам.

При температуре, отличной от 0 К, а также при других энергетических воздействиях может произойти разрыв парноэлектронной связи. При этом образуется свободный электрон в зоне проводимости W_П (см. рис. 1.10) и незавершенная парноэлектронная связь-«дырка» в валентной зоне. Энергию, которую необходимо сообщить электрону для разрыва парноэлектронной связи называют энергией активации (ΔW), которая для собственного полупроводника соответствует ширине запрещенной зоны. Для кремния она составляет 1,12 эВ.

В отсутствии внешнего электрического поля свободный электрон и «дырка» будут совершать хаотическое тепловое движение в пределах кристаллической решетки. Происходит это вследствие того, что электрон соседней ковалентной связи за счет энергии тепловых колебаний кристаллической решетки может заполнить незавершенную ковалентную связь. Следовательно, движение «дырки» осуществляется за счет перемещения электрона, участвующего в образовании парноэлектронной связи.

Таким образом, разрыв одной парноэлектронной связи приводит к образованию в полупроводнике двух свободных носителей зарядов: отрицательно заряженного электрона и положительно заряженной «дырки». Этот процесс получил название генерации электронно-дырочных пар. При приложении внешнего электрического поля свободные электроны и «дырки» будут переносить свой заряд (начинают упорядоченно двигаться), т.е. создавать электрический ток.

Лишь идеальные полупроводниковые кристаллы обладают только собственной проводимостью. В реальных кристаллах существуют нарушения периодичности кристаллической решетки, вызванные дефектами различного рода: примесями, пустыми узлами в решетке, атомами или ионами, находящимися в междоузлиях, микротрещинами, трещинами, сдвигами, дислокациями и т.д.

Если в кристалле имеются дефекты, то электрическое поле, создаваемое ими, может захватить электрон подобно тому, как электрон захватывается свободными ионами. Такой локализованный близ дефекта электрон имеет энергию, попадающую как раз в запрещенную зону, а в энергетическом спектре кристалла появляется дискретный спектр локальных уровней в запрещенной зоне. Локальными эти уровни называются, потому что они возникают не во всей решетке, а только в местах расположения дефектов. Локальные уровни оказывают существенное влияние на характер явлений, происходящих в полупроводниках: на электропроводность, фотоэффект, люминесценцию, оптическое поглощение и т.д.

Дефект решетки, в котором в невозбужденном состоянии локальный уровень занят, а при возбуждении способен отдать электрон в зону проводимости, называется донором, а примесь, атомы которой являются донорами, называется донорной примесью.

Дефект решетки, в котором в невозбужденном состоянии локальный уровень занят, а при возбуждении способен захватить электрон из валентной зоны, называется акцептором, а примесь, атомы которой являются акцепторами, называется акцепторной примесью.

При температурах, близких к температуре абсолютного нуля, примесные электроны находятся на локальных уровнях, но уже при незначительном повышении температуры, а также при других внешних энергетических воздействиях они получают энергию, достаточную для их перехода в зону проводимости, и принимают участие в электропроводности.

Минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону, находящемуся на донорном уровне (см. рис. 1.10), чтобы перевести его в зону проводимости, называется энергией ионизации (активации) донорной примеси (донора) (AWd).

В некоторых полупроводниках могут одновременно находиться как донорные, так и акцепторные примеси.

В полупроводниках при  К, а также при отсутствии других внешних энергетических воздействий электроны и дырки проводимости отсутствуют. При повышении температуры или при других энергетических воздействиях начинаются переходы электронов с донорных уровней в зону проводимости, из валентной зоны на акцепторные урони, из валентной зоны в зону проводимости.

Электропроводность полупроводника, обусловленная активацией атомов донорной и (или) акцепторной примесей (при любом способе внешнего возбуждения носителей заряда), называется примесной электропроводностью, а свободные носители заряда, которые образуются благодаря переходу электронов с донорных уровней в зону проводимости или из валентной зоны на акцепторные уровни, называются примесными носителями.

Электропроводность полупроводника, обусловленная активацией атомов самого вещества (при любом способе возбуждения носителей заряда), называется собственной электропроводностью. Свободные носители заряда, которые образуются благодаря переходу электронов из валентной зоны в зону проводимости, называются собственными носителями.

В полупроводниках с донорными и (или) акцепторными примесями в области низких температур, когда средняя энергия тепловых колебаний решетки КТ<<Е (другие внешние воздействия невелики), переходами электронов из валентной зоны в зону проводимости можно пренебречь. Тогда:

1) в полупроводнике с донорной примесью все электроны проводимости появляются в результате активации донорной примеси. В этом случае концентрация свободных электронов будет больше концентрации дырок (n >> р). Электропроводность такого полупроводника, обусловленная в основном перемещением электронов проводимости, называется электронной электропроводностью, а полупроводник – полупроводником n-типа. Электропроводность полупроводника в этом случае может быть найдена из выражения:

,                       (8.1)

где  – электронная электропроводность; q – величина заряда; n-концентрация электронов;  – подвижность электронов (т.е. средняя скорость их перемещения по направлению электрического поля напряженностью E = 1 В/м);

в полупроводниках с акцепторной примесью в результате активации электронов валентной зоны и их перехода на акцепторные уровни концентрация свободных дырок преобладает над концентрацией свободных электронов (р >> n). Электропроводность такого полупроводника, обусловленная в основном перемещением

1) дырок проводимости, называется дырочной электропроводностью, а полупроводник – полупроводником р-типа. В этом случае значение электропроводности может быть найдено из выражения:

_,                                   (8.2)

где  – дырочная электропроводность; q – величина заряда; n – концентрация дырок;  – подвижность дырок.

Для примесной электропроводности характерна сильная зависимость электропроводности от концентрации примесей. Так, например, при изменении концентрации примеси в германии (Ge) в 30 раз примесная электропроводность меняется в 10⁷ раз. Электропроводность собственного полупроводника (собственная электропроводность) складывается из электронной и дырочной проводимостей, и может быть определена из выражения:

,                          (8.3)

где n- концентрация свободных электронов, равная в собственном полупроводнике концентрации дырок. Следовательно, электропроводность полупроводников определяется концентрацией свободных носителей зарядов (электронов или дырок), а также их подвижностью.

Механизм образования свободных носителей заряда в полупроводнике обусловлен действием теплового поля. Качественно температурная зависимость концентрации свободных носителей зарядов в примесном полупроводнике приведены на рис.8.1. При  °К концентрация свободных носителей заряда определяется фоновыми носителями, имеющимися в полупроводнике за счет несовершенства технологии изготовления, нарушениями кристаллической структуры и неконтролируемыми примесями (рис.8.1, участок 1 – 2).

Рис. 8.1. Температурная зависимость концентрации свободных носителей зарядов в примесном полупроводнике

При повышении температуры проводника электроны с донорных уровней (в случае донорного полупроводника) переходят в зону проводимости или из валентной зоны на акцепторные уровни (в случае акцепторного полупроводника), и, чем выше температура, тем большее число примесных атомов будет активировано (рис.8.1, участок 2 – 3). Когда энергии теплового поля станет достаточно для полной активизации примесей в точке 3 произойдет истощение примесных уровне. То есть все электроны донорной примеси, не принимающие участие в образовании парноэлектронных связей, перейдут в зону проводимости в случае донорного

полупроводника, а в случае акцепторного полупроводника все атомы акцепторной примеси захватят из валентной зоны определенное количество электронов.

Концентрация свободных носителей заряда при дальнейшем повышении температуры будет оставаться постоянной (рис.8.1, область насыщения 3 – 4), так как примесные уровни истощены, а энергии теплового поля (КТ) недостаточно для активации собственных носителей заряда. В точке 4 энергия теплового поля становится достаточной для активизации собственных носителей заряда в полупроводнике, т.е. начинается переход электронов из валентной зоны в зону проводимости. И чем выше температура, тем больше актов активации собственных носителей заряда будет наблюдаться в полупроводнике (рис.8.1, участок 4 – 5).

Наличие в реальных кристаллах полупроводников дефектов различного рода (например ионов и атомов примесей, дислокаций, а также тепловых колебаний узлов кристаллической решетки) приводит к рассеянию свободных носителей зарядов. Наиболее существенную роль в рассеянии свободных носителей зарядов играют ионы примесей и тепловые колебания узлов кристаллической решетки, которые в основном и определяют подвижность носителей зарядов.

С повышением температуры тепловая скорость движения свободного носителя возрастает и время нахождения этого носителя в поле иона, изменяющего его движение, уменьшается. Следовательно, носитель будет иметь меньшее отклонение, рассеяние которого с повышением температуры будет уменьшаться.

Рассеяние носителей заряда на тепловых колебаниях узлов кристаллической решетки прямо пропорционально поперечному сечению того объема, который занимает, колеблющийся под действием теплового поля ион. Это поперечное сечение прямо пропорционально квадрату амплитуды тепловых колебаний, определяющих энергию решетки. С ростом температуры подвижность зарядов, обусловленная рассеянием на тепловых колебаниях решетки, уменьшается.

Анализируя выражение (8.3), можно сделать вывод, что электропроводность полупроводников определяется концентрацией свободных носителей зарядов и их подвижностью.

Отрезок прямой 1 – 2 (рис. 8.2) в области низких температур характеризует примесную электропроводность, затем имеется переходный участок 2 – 3, на котором примеси «истощены», а небольшое снижение электропроводности обусловлено рассеянием свободных носителей зарядов на тепловых колебаниях узлов кристаллической решетки.

Рис. 8.2. Типичная  зависимость  электропроводности примесного полупроводника от температуры

В области высоких температур (рис. 8.2, участок 3 – 4) проявляется собственная электропроводность. Возрастание электропроводности полупроводников с повышением температуры происходит вследствие того, что скорость роста числа носителей зарядов больше чем скорость уменьшения их подвижности или длины свободного пробега носителей.

Одной из важнейших характеристик полупроводника является температурный коэффициент сопротивления (), который показывает относительное изменение абсолютной величины сопротивления при изменении температуры на 1 градус:

,       (8.4)

но так как , то

.      (8.8)

Следовательно, получим:

.                 (8.5)

Полупроводниковый прибор, при построении которого используется зависимость электрического сопротивления от температуры, предназначенный для регистрации изменения температуры, называется терморезистором или термистором. Он представляет собой объемное нелинейное полупроводниковое сопротивление с большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Материалами для изготовления термисторов служат смеси окислов различных металлов: меди, марганца, цинка, кобальта, титана, никеля и др.

Из числа отечественных терморезисторов (Т) наиболее распространены:

· кобальто-марганцевые (КМТ);

· медно-марганцевые (ММТ);

· медно-кобальто-марганцевые (СТЗ).

Источником энергии, способствующим образованию свободных носителей зарядов в полупроводнике, может быть и ионизация под действием электрического поля.

Концентрация и подвижность носителей заряда до некоторой величины напряженности электрического поля от последней не зависят, следовательно, и электропроводность полупроводников в этом случае не зависит от напряженности электрического поля. Электрические поля, которые практически не влияют на подвижность и концентрацию носителей заряда, называются слабыми. Электрические поля, при которых подвижность и концентрация носителей зарядов зависят от напряженности электрического поля, называются сильными.

Минимальная напряженность электрического поля (E_к), при которой начинается заметная зависимость подвижности и концентрации носителей зарядов от напряженности электрического поля называется критической. Критическая напряженность электрического поля зависит от природы полупроводника, температуры и концентрации примесей. При напряженности электрического поля выше критической закон Ома не выполняется, т.е. величина плотности тока не будет пропорциональна напряженности поля. Для большинства полупроводников значение Е_к лежит в пределах 10⁶ В/м ( для селена E_к  10 В/м).

Механизм увеличения концентрации свободных носителей заряда под действием сильного электрического поля называется электростатической ионизацией. Если свободный электрон под действием внешнего электрического поля приобретает энергию, достаточную для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости или с локальных уровней в зону проводимости, то возможна ударная ионизация.

Полупроводниковый прибор, действие которого основано на использовании зависимости электропроводности (сопротивления) полупроводников от напряженности электрического поля (рис 8.3), называется варистором.

Рис. 8.3. Зависимость электропроводности полупроводника от напряженности приложенного электрического поля

В качестве материалов для изготовления варисторов используют карбид кремния (CH₁) и селен (CH₂). Варисторы представляют собой нелинейные полупроводниковые сопротивления (резисторы). Они получили широкое применение в технике для защиты элементов маломощной низковольтной и высоковольтной аппаратуры от перенапряжений, стабилизации напряжения, преобразования частоты и т.д.