Полупроводниковые материалы

Полупроводниковые материалы представляют собой особый класс твердых тел, электрическая проводимость которых находится между проводниками и диэлектриками. Основное отличие полупроводников заключается в возможности управлять их проводимостью внешними факторами: температурой, светом, электрическим и магнитным полями, а также химическим составом.

Классификация полупроводников:

  1. По химическому составу:

    • Элементарные (например, кремний Si, германий Ge).
    • Соединения (например, GaAs, InP, CdTe).

  2. По типу проводимости:

    • n-тип: Основными носителями заряда являются электроны.
    • p-тип: Основными носителями заряда являются дырки.

  3. По способу получения:

    • Монокристаллические.
    • Поликристаллические.
    • Аморфные и стеклообразные.

Кристаллическая структура и дефекты

Электронные свойства полупроводников напрямую зависят от их кристаллической решетки. Элементарные полупроводники образуют решетки типа алмаза, соединения III–V — структуры цинкбленда, а II–VI — структуры халькопирита.

Дефекты кристаллической решетки:

  • Вакансии – отсутствующие атомы, создают локальные уровни в запрещенной зоне.
  • Примесные атомы – вводятся для изменения проводимости (легирование).
  • Дислокации и границы зерен – влияют на подвижность носителей заряда и рекомбинацию.

Электронная структура

Полупроводники обладают запрещенной зоной (band gap), разделяющей валентную зону и зону проводимости. Ширина запрещенной зоны определяет температурную зависимость проводимости:

  • Кремний: 1,12 эВ
  • Германий: 0,66 эВ
  • GaAs: 1,42 эВ

Термогенерация носителей заряда: при повышении температуры часть электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости, создавая пары электрон–дырка.

Легирование и управление проводимостью

Легирование — процесс введения в кристалл полупроводника малых количеств примесей для изменения его проводимости.

  • n-легирование: добавление элементов с большей валентностью (например, фосфор в кремний) увеличивает концентрацию электронов.
  • p-легирование: добавление элементов с меньшей валентностью (например, бор в кремний) увеличивает концентрацию дырок.

Энергетические уровни примесей: легирующие атомы создают донорные или акцепторные уровни, находящиеся близко к краям зон, облегчая ионизацию при комнатной температуре.

Электрические свойства

Проводимость полупроводников определяется концентрацией и подвижностью носителей заряда:

σ = q(nμn + pμp)

где σ — проводимость, q — заряд электрона, n и p — концентрации электронов и дырок, μn и μp — их подвижность.

Температурная зависимость проводимости:

  • При низких температурах активны только легирующие уровни.
  • При высоких температурах наблюдается генерация электронов из валентной зоны.

Полупроводниковые приборы

Основой современной электроники являются полупроводниковые приборы:

  • Диоды: p–n переходы, обеспечивающие одностороннюю проводимость.
  • Транзисторы: устройства с управляемым током, основанные на эффекте поля или p–n–p/n–p–n структурах.
  • Светоизлучающие диоды (LED) и лазеры: преобразуют электрическую энергию в свет.
  • Фотоприемники и солнечные элементы: используют фотогенерацию носителей заряда.

Физико-химические методы получения

  1. Чистые монокристаллы: метод Чохральского, зона плавления, выращивание из паровой фазы.
  2. Легирование и диффузия: добавление доноров и акцепторов.
  3. Аморфные полупроводники: осаждение из газовой фазы, спин-котирование.

Оптические свойства

Полупроводники обладают способностью поглощать и испускать свет, что определяется шириной запрещенной зоны. Фотон с энергией, превышающей Eg, может создавать электрон–дырочную пару. Оптические свойства используются в фотодетекторах, лазерах и солнечных батареях.

Термодинамические и механические особенности

  • Полупроводники чувствительны к температуре, проявляют нелинейность в проводимости.
  • Механическая прочность кристаллов зависит от дефектной структуры и степени легирования.
  • Важны диэлектрическая проницаемость и теплопроводность, особенно для высокочастотных и мощностных приборов.

Перспективные материалы

Исследуются новые полупроводники с узкой или широкой запрещенной зоной для оптоэлектроники, наноструктурные и двумерные материалы (графен, MoS₂), а также органические полупроводники для гибкой электроники. Эти материалы обладают уникальными электронными и оптическими свойствами, позволяющими создавать новые устройства с высокой эффективностью и малым энергопотреблением.

Полупроводниковые материалы остаются ключевым компонентом современной электроники, а их свойства продолжают развиваться в направлении нанотехнологий, высокотемпературной и высокочастотной электроники.

Оглавление