Напівпровідники - матеріали (кристали, полікристалічні і аморфні матеріали, елементи або сполуки) з існуванням забороненої зони (між зоною провідності і валентною зоною). Напівпровідники займають проміжне положення по електропровідності між металами і діелектриками; Електропровідність напівпровідників падає при зниженні температури. Для напівпровідникових матеріалів характерна висока
чутливість електрофізичних властивостей до зовнішніх впливів (нагрів, опромінення, деформації і т. п.), а також до змісту структурних дефектів і домішок. Напівпровідникові матеріали по структурі діляться на кристалічні, тверді, аморфні і рідкі. За хімічним складом напівпровідникові матеріали ділять на прості речовини (атомні, елементарні напівпровідники - германій, кремній, телур та ін.) І хімічні сполуки різних типів. Унікальні властивості напівпровідникових матеріалів зумовили широке технічне застосування їх для виготовлення найрізноманітніших приладів - напівпровідникових діодів, транзисторів, тиристорів, фотодіодів, фототранзисторів, світлодіодів, напівпровідникових лазерів, а також датчиків тиску, магнітних полів, температур, випромінювань і ін. Використання напівпровідників викликало корінні перетворення в
радіотехніці, кібернетиці, автоматиці, телемеханіки. Напівпровідникова електроніка відкрила нові шляхи микроминиатюризации різного електронного обладнання.
достатності теплової енергії решітки або в результаті зовнішнього енергетичного впливу електрон перейде з валентної зони в зону
провідності і стане вільним. Необхідна для цього переходу енергія визначається шириною забороненої зони. З відходом електрона в зону провідності в валентної зоні залишається вільним енергетичний рівень, званий діркою, а сама валентна зона стає вщент заповненій. Електрон має негативний заряд, дірку прийнято вважати позитивно зарядженою часткою, чисельно рівний заряду електрона. Таким чином, в кристалі утворюється пара вільних носіїв заряду - електрон в зоні провідності і дірка в валентної зоні, які і створюють власну електропровідність напівпровідника, тип якої електронно-дірковий.
Електропровідність домішкових напівпровідників.
У домішкових напівпровідниках атоми домішки або постачають електрони в зону провідності напівпровідника, або приймають їх з рівнем валентної зони. Ці переходи електронів здійснюється за значно менших витратах енергії, які потрібні електронам для подолання потенційного бар'єру у вигляді забороненої зони напівпровідника. Тому ці види переходів в домішкових напівпровідниках є основними, домінуючими над переходом електронів з валентної зони в зону провідності. Атоми домішки, розміщуючись в забороненій зоні напівпровідника, створюють в межах цієї зони дискретні енергетичні рівні або у нижнього її краю поблизу до валентної зоні, або у верхнього, поблизу до зони провідності. Внаслідок своєї малої концентрації атоми домішки розташовуються в решітці напівпровідника на дуже великих відстанях один від одного, тому між собою не взаємодіють.
Домішка - це речовина входить до складу іншого. Види домішки. Домішка в залежності від її впливу на тип електропровідності напівпровідникового матеріалу розрізняють: акцепторну, Донорно, амфотерний, а за місцем впровадження її атомів в кристалічну решітку напівпровідника - на домішка заміщення і впровадження. Акцепторна домішка - домішка в напівпровіднику, іонізація якої супроводжується захопленням електронів з валентної зони або з донорної домішки. Типовий приклад акцепторной домішки - атоми елементів III групи (В, Al, Ga, In) в елементарних напівпровідниках IV групи -Ge і Si. У складних напівпровідниках акцепторними домішками можуть бути атоми електронегативний елементів (О, S, Se, Ті, Сl і ін.), Надлишкові але відношенню до складу, який відповідає стехиометрической формулою. Введення акцепторной домішки повідомляє даного напівпровідника дірковий провідність, іонізація акцепторной домішки призводить до появи дірок у валентній зоні, що описується як перехід електрона з валентної зони на рівень акцепторной домішки, розташований в забороненій зоні. Акцепторна домішка характеризується енергією, необхідною для такого переходу (енергією іонізації акцепторной домішки). Акцепторна домішка з енергією іонізації порядку теплової енергії kT (дрібні акцепторні домішки) описуються водородоподобном моделлю. Енергія іонізації такий акцепторною домішки в раз менше енергії іонізації атома водню 10 еВ (- діелектрична проникність напівпровідника, m0 - маса вільного електрона, m * - ефективна маса дірок)
порядку 10-100 МеВ.
39) Донорно домішка (Д.П.) - домішка в напівпровіднику, іонізація якої призводить до переходу електрона в зону провідності або на рівень акцепторной домішки. Типовий приклад Д. п.- домішки елементів V групи (Р, As, Sb, Bi) в елементарних напівпровідниках IV групи - Ge і Si. У складних напівпровідниках роль Д. п. Можуть грати атоми електропозитивних елементів (Сu, Zn, Cd, Hg та ін.), Надлишкові по відношенню до складу. Введення Д. п. Повідомляє напівпровідника електронну провідність, оскільки іонізація Д. п. Призводить до появи електронів в зоні провідності, що описується як перехід електрона в зону провідності з донорного рівня, розташованого в забороненій зоні. Д. п. Характеризується енергією, необхідною для такого переходу (енергією іонізації). Д. п. З енергією іонізації порядку теплової енергії kT (дрібні домішки) описується водородоподобном моделлю. Облік діелектричних властивостей напівпровідника (характеризуються його діелектричної проникністю e) і відміну ефективної маси т * електронів провідності від маси вільних електронів m0пріводіт до того, що енергія іонізації Д. п. Виявляється в e2m0 / m * разів менше енергії іонізації атома водню (
40) Домішки заміщення. Розглянемо роль домішки заміщення на прикладі простого напівпровідника кремнію, що є елементом 4 групи таблиці Д. І. Менделєєва і має структуру алмазу. Хімічна зв'язок між атомами кремнію ковалентная і здійснюється 4 валентними електронами. Якщо атом кремнію в будь-якому вузлі решітки замістити атомом тривалентного елемента, наприклад бору, що має всього 3 валентних електрона, то у нього для зв'язку з сусідніми атомами кремнію не вистачає 1 електрона, який запозичується у атома кремнію. При цьому в решітці утворюється дірка, яка під дією прикладеної напруги починає переміщатися у напрямку електричного поля, обумовлюючи електропровідність. Отже, для кремнію тривалентний бор є акцепторною домішкою заміщення. Якщо ж атом кремнію замістити атомом пятивалентного елемента, наприклад миш'яку, то 4 його валентних електрона будуть пов'язані з атомами кремнію, а один виявиться зайвим. Цей 5 електрон не бере участь в утворенні хімічного зв'язку в кристалі кремнію. Він продовжує рух навколо атома миш'яку, електричне поле якого в кремнії ослаблене в 12,5 рази. Внаслідок ослаблення поля радіус орбіти цього електрона збільшується в 12,5 рази, а енергія зв'язку його з атомами миш'яку зменшуючи приблизно в 151 разів. Отримавши таку енергію, електрон відривається від атома миш'яку і набуває здатності вільно переміщатися по кристалу. Тому миш'як для кремнію є донорной домішкою заміщення. Роль домішки заміщення в напівпровідникових хімічних сполуках грають не тільки чужорідні атоми, але також і власні атоми.
41) Залежність питомої електропровідності напівпровідників від t.
Здатність твердих тіл пропускати електричний струм характеризується їх електричну провідність або електропровідністю. Величина зворотна електропровідності називається питомим опором. Чим більше в твердому тілі електронів, тим більше його електронна провідність. До напівпровідників відносяться речовини з повністю заповненою валентною зоною і не заповненою зоною провідності при температурі абсолютного нуля, причому ширина розділяє їх забороненої зони може бути невелика (т.зв. вузькозонних напівпровідники) або ж досить велика (т.зв. широкозонні напівпровідники). Розрізняють також власні і домішкові напівпровідники. До власних напівпровідників відносять хімічно чисті напівпровідники. Їх електропровідність може виникнути тільки в результаті переходу електронів з верхніх рівнів валентної зони на нижні рівні зони провідності. Звільнення одного з рівнів валентної зони трактується як виникнення рухомий дірки, в той час як заняття електроном рівня в зоні провідності - як народження вільного електрона.
Тепловим збудженням цей процес зазвичай реалізується тільки в вузькозонних напівпровідниках, в яких таким чином може одночасно існувати як електронна, так і діркова електропровідність. У широкозонних напівпровідниках носії струму не генеруються тепловим чином, і такі речовини адекватні діелектриків. Їх електропровідність може бути реалізована в основному тільки за допомогою домішок. Провідні властивості домішкових напівпровідників визначаються вводиться в власні напівпровідники відносно малою кількістю домішкових атомів, які можуть бути або донорами, або акцепторами електронів. У першому випадку донори мають власний енергетичний рівень електрона поблизу «дна» порожній при нульовій абсолютній температурі зони провідності, причому вони легко віддають цей електрон в зону провідності шляхом їх теплового збудження, що і веде до народження вільного електрона. У другому випадку т.зв. акцептори - атоми, здатні прив'язати до себе надлишковий електрон, - відбирають цей по суті валентний електрон від рядового атома кристалічної решітки, створюючи в ньому вакансію електрона, тобто дірку, яка може переміщатися за обсягом, як позитивно заряджена частинка. Очевидно, щоб це відбулося, необхідна наявність у примесного атома незайнятого рівня енергії електрона, розташованого недалеко від «стелі» валентної зони. Таким чином, в домішкових широкозонних напівпровідниках можливі чиста електронна, чиста діркова або, нарешті, змішана електропровідність. При підвищенні температури рухливість як електронів, так і дірок зменшується за рахунок збільшення інтенсивності теплових колеба-ний кристалічної решітки, що перешкоджають направленого руху носіїв. З іншого боку, зі зростанням температури концентрації електронів в зоні провідності і ди-рок в валентної зоні різко зростають. Будь-напівпровідник є ізолятором при температурах, близьких до абсолютного нуля, так як валентна зона повністю заповнена електро-нами, а зона провідності повністю позбавлена електронів. Електропровідність виникає тільки при кінцевій і досить великий абсолютній температурі.
42) Очищення кремнію методом зонного плавлення.
В технології формування напівпровідникових з'єднань застосування методу зонного плавлення дозволяє поєднати в одному технологічному циклі відразу три операції: синтез, глибоке очищення синтезованого з'єднання і вирощування з нього монокристалла. Зонна плавка є одним з
найбільш ефективних методів глибокого очищення напівпровідників. Ідея методу пов'язана з різною розчинністю домішок у твердій і рідкій фазах напівпровідника. Монокристал отримують з розплаву, однак, перед початком кристалізації розплавляється не вся тверда фаза кристала, а
1) перетворення технічного кремнію в Легколетюча з'єднання, яке після очищення може бути легко відновлено;
2) очищення з'єднання фізичними і хімічними методами;
3) відновлення з'єднання з виділенням чистого кремнію;
4) кінцева очищення кремнію методом бестигельной зонного плавлення;
5) вирощування монокристалів.