Полупроводниковые материалы

Полупроводники представляют собой материалы, электрическая проводимость которых находится между проводниками и диэлектриками. Их уникальные свойства определяются энергетической зонной структурой, наличием запрещённой зоны между валентной и зоной проводимости.

Полупроводники делятся на элементарные (например, кремний, германий) и соединения (например, GaAs, InP). Элементарные полупроводники обладают высокой степенью кристаллической упорядоченности и симметричной зонной структурой, в то время как соединения характеризуются более сложной химической структурой и часто полярными связями.

Классификация по типу проводимости:

• n-тип – проводимость обеспечивается электронами, создаваемыми донорными примесями.
• p-тип – проводимость осуществляется за счёт дырок, формируемых акцепторными примесями.

Энергетическая зонная структура

Ключевой характеристикой полупроводников является запрещённая зона (Eg) – разрыв между валентной зоной, полностью занятой электронами, и зоной проводимости. Для кремния Eg ≈ 1,1 эВ при 300 K, для германия – 0,66 эВ.

Энергетическая зонная структура определяет:

• Температурную зависимость проводимости: при повышении температуры большее число электронов переходит в зону проводимости.
• Фотоэлектрические свойства: поглощение фотонов с энергией, превышающей Eg, приводит к генерации электрон–дырочных пар.

Дефекты и примеси

Дефекты кристаллической решётки существенно влияют на электрические и оптические свойства. Выделяют:

• Вакантные дефекты – отсутствие атома в узле решётки.
• Вставки и междоузельные атомы – атомы, находящиеся вне узлов.
• Примеси донорного и акцепторного типа – управляют типом проводимости и её концентрацией.

Примеси могут формировать уровни внутри запрещённой зоны, которые служат источниками электронов или дырок при малой тепловой энергии, что обеспечивает возможность точной настройки проводимости.

Электронные и дырочные транспортные явления

Проводимость полупроводников определяется движением свободных носителей заряда: электронов и дырок. Основные механизмы транспорта:

• Дрейф под действием электрического поля: скорость носителей пропорциональна приложенному полю и подвижности.
• Диффузия: перенос носителей от областей с высокой концентрацией к областям с низкой концентрацией.

Подвижность носителей зависит от температуры, концентрации примесей и структурных дефектов. В кристаллах кремния при комнатной температуре µ_e ≈ 1500 см²/(В·с) для электронов и µ_h ≈ 450 см²/(В·с) для дырок.

Оптические и фотоэлектрические свойства

Полупроводники проявляют ярко выраженные оптические переходы при поглощении фотонов с энергией, равной или превышающей запрещённую зону. Основные эффекты:

• Фотопроводимость – увеличение проводимости под действием света.
• Фотогенерация носителей заряда – основа работы солнечных элементов.
• Люминесценция – излучение фотонов при рекомбинации электрон–дырочных пар.

Эти свойства тесно связаны с дефектами и примесями, которые могут создавать дополнительные уровни энергии внутри запрещённой зоны, изменяя спектр поглощения и излучения.

Термическая и химическая стабильность

Полупроводники обладают различной термической стабильностью: кремний устойчив при температурах до 1400 °C, тогда как GaAs разрушается при ~600 °C. Химическая стабильность определяется структурой поверхности и реакционной способностью: кремний образует пассивный слой SiO₂, а GaAs подвергается коррозии в кислотных средах.

Технологические аспекты

Создание полупроводниковых материалов требует контроля чистоты, кристаллической структуры и концентрации примесей. Основные методы получения:

• Чистая зона плавления (Czochralski) – выращивание монокристаллов кремния.
• Молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE) – тонкие слои с атомарной точностью.
• Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) – формирование пленок с заданными свойствами.

Технологические процессы позволяют создавать гетероструктуры, легирование с высокой точностью, управлять дефектами и формировать наноструктуры, что обеспечивает широкое применение в электронике, фотонике и энергетике.

Применение полупроводников

Полупроводники являются основой:

• Силовой и цифровой электроники – транзисторы, диоды, интегральные схемы.
• Фотоники – лазеры, светодиоды, фотодетекторы.
• Энергетики – солнечные элементы, термоэлектрические генераторы.
• Датчиков и сенсорных систем – газовые сенсоры, термопары, фотопреобразователи.

Свойства полупроводников могут быть точно настроены путём легирования, создания наноструктур и комбинирования материалов, что делает их универсальными компонентами современной техники.