Полупроводники представляют собой материалы, проводимость которых
находится между проводниками и диэлектриками. Они характеризуются
наличием запрещённой зоны (зоны проводимости) шириной от 0,1 до 4 эВ,
что определяет их электронные свойства. Основными типами полупроводников
являются:
- Элементные полупроводники – изготовленные из одного
химического элемента (например, кремний, германий). Их кристаллическая
решётка обычно имеет алмазоподобную структуру.
- Соединения III–V и II–VI групп – полупроводники,
образованные соединением элементов из III и V, или II и VI групп
Периодической системы (например, GaAs, CdTe). Эти материалы обладают
широким диапазоном запрещённой зоны и высокой подвижностью носителей
заряда.
- Полупроводники с примесями – материалы,
легированные атомами донорного или акцепторного типа для регулирования
концентрации носителей.
Электронная структура и
проводимость
Проводимость полупроводников определяется наличием свободных
носителей заряда: электронов и дырок. Основные механизмы:
- Тепловая генерация носителей – при повышении
температуры электроны из валентной зоны переходят в зону проводимости,
создавая пары электрон–дырка.
- Донирование – введение примесных атомов, дающих
дополнительные электроны (донорные) или создающих дырки
(акцепторные).
- Фотопроводимость – генерация носителей при
поглощении фотонов с энергией, превышающей ширину запрещённой зоны.
Энергетическая диаграмма полупроводника отражает распределение
электронов по зонам: валентной, запрещённой и проводимости. Ширина
запрещённой зоны определяет тип полупроводника: узкозонные (Ge, Si) или
широкозонные (GaN, ZnO).
Типы полупроводников по
проводимости
- n-тип – преобладают электроны как основные носители
заряда. Достигается легированием атомами с избытком валентных
электронов.
- p-тип – преобладают дырки как основные носители.
Создаётся введением атомов с недостатком валентных электронов.
- Комплексные структуры – используют чередование
слоёв n- и p-типов для создания переходов и полупроводниковых
устройств.
Полупроводниковые переходы
p–n переход является фундаментальной структурой для
большинства полупроводниковых приборов. Его свойства:
- Формируется зона обеднённая носителями (область пространственного
заряда).
- При прямом смещении возникает ток, при обратном – ток ограничен
малой величиной утечки.
- Характеризуется потенциальным барьером, зависящим от концентрации
легирующих примесей и температуры.
Гетеропереходы создаются на стыке полупроводников с
различной запрещённой зоной. Они обеспечивают эффективное управление
током и фотогенерацией, используются в лазерах, солнечных элементах и
высокочастотной электронике.
Физико-химические свойства
Полупроводники обладают рядом специфических свойств, определяющих их
применение:
- Температурная зависимость проводимости – с ростом
температуры проводимость возрастает для элементных полупроводников и
уменьшается для металлов.
- Эффект Холла – позволяет определять концентрацию и
тип носителей заряда, а также их подвижность.
- Фоточувствительность – способность генерировать ток
под воздействием света, основа фотодетекторов и солнечных
элементов.
- Термоэлектрические свойства – генерация напряжения
при температурном градиенте, важна для термоэлектрических
преобразователей.
Методы синтеза и модификации
- Чистый кристалл – выращивание кремния и германия
методом Чохральского или зонной плавки для достижения высокой
электронной чистоты.
- Легирование – внедрение донорных или акцепторных
примесей для получения n- или p-типов.
- Гетероструктуры и суперрешётки – послойное
осаждение различных полупроводников с контролем толщины слоёв на
нанометровом уровне, обеспечивая новые электронные свойства.
- Ионная имплантация – введение ионов с высокой
энергией для точного контроля концентрации и распределения
примесей.
Применение полупроводников
Полупроводниковые материалы являются основой современной электроники
и энергетики. Основные направления:
- Микроэлектроника – производство транзисторов,
интегральных схем, процессоров.
- Фотоника и оптоэлектроника – светодиоды, лазеры,
фотодетекторы.
- Энергетика – солнечные элементы, термоэлектрические
преобразователи, сенсоры температуры.
- Высокочастотная техника – микроволновые устройства,
усилители, радиочастотные генераторы.
Дефекты
кристаллической решётки и их влияние
Дефекты существенно влияют на электронные свойства
полупроводников:
- Вакансии и межузельные атомы – создают локальные
уровни в запрещённой зоне, влияя на проводимость и рекомбинацию
носителей.
- Примесные центры – могут усиливать или ослаблять
проводимость в зависимости от типа и концентрации.
- Дислокации и границы кристаллитов – влияют на
мобильность носителей и термическую стабильность материалов.
Эффективное управление дефектами позволяет создавать полупроводники с
заданными свойствами, необходимыми для высокотехнологичных
устройств.
Физико-химические измерения
Основные методы исследования полупроводников включают:
- Электрические измерения – определение проводимости,
подвижности и концентрации носителей.
- Спектроскопические методы – фотолюминесценция,
инфракрасная спектроскопия, электронный парамагнитный резонанс.
- Микроскопические методы – электронная и
атомно-силовая микроскопия для изучения дефектов и структуры
поверхности.
- Термоэлектрические и фотометрические исследования –
для анализа преобразования энергии и фотогенерации.
Эти методы обеспечивают комплексное понимание свойств полупроводников
и позволяют оптимизировать их для различных технологий.