Лабораторная работа № 3. Основные свойства и квалификация полупроводниковых материалов Цель работы: В основе работы каждого прибора лежат определенные физические явления и

Основные свойства и квалификация полупроводниковых материалов

Цель работы:

В основе работы каждого прибора лежат определенные физические явления и процессы. Физика полупроводников - это теоретическая основа полупроводниковой электроники

Все природные вещества по своим электрофизическим свойствам можно разделить на металлы, полупроводники и диэлектрики. Типичными металлами являются представители I группы периодической системы элементов, типичными диэлектриками являются галогены VII группы и благородные газы VIII группы. Типичными полупроводниками являются элементы IV группы- углерод (C), кремний (Si), германий (Ge), серое олово (a-Sn). Полупроводниками являются самый легкий элемент III-группы – бор и самые тяжелые элементы VI группы – селен и теллур. Типичными полуметаллами являются самый тяжелый элемент V группы – висьмут (Bi) и более легкие элементы этой группы – мышьяк (As) и сурьма (Sb), а также p,Se, a-S, Te, I. Типичными полупроводниковыми соединениями являются соединения А3В5 - арсенид галлия GaAs, антимонид индия InSb, фосфид галлия GaP и др., и соединения А2В6 –сульфид цинка ZnS (цинковая обманка), сульфид кадмия CdS, селенид кадмия CdSe. Эти соединения кристаллизуются в структуру цинковой обманки, которую можно получить из алмазноподобной решетки путем поочередной замены атомов углерода атомами цинка и серы, мышьяка и галлия, индия и сурьмы, кадмия и серы. Эти соединения имеют стехиометрический состав, также как и карбид кремния SiC.

Могут быть получены твердые растворы Ge и Si в результате их смешения в виде полупроводниковых смешанных кристаллов произвольного состава.

Полупроводниками являются многие окислы MeO и сульфиды металлов, МеS, часто нестехеометрического состава, Cu2O, Fe2O3, ZnO, PbS, PbTe. Следует различать между собой полупроводники и полуметаллы.

Итак, полупроводники характеризуются следующими свойствами:

1. В чистом полупроводнике проводимость экспоненциально растет с температурой (принцип действия термистора).

2. Проводимость полупроводника в отличие от металлов, сильно зависит от концентрации примеси. Так в чистом Si носителей заряда 1010-1012, то при легировании примесей в количестве всего 1% проводимость возрастет в 108 раз.

3. Примесная проводимость легированных полупроводников слабо применяется с температурой, так же, как и в металлах.

4. В полупроводниках имеет место внутренний фотоэффект, когда проводимость полупроводников возрастает при освещении светом, также возрастает проводимость полупроводников при облучении электронами или инжекции носителей тока из подходящего металлического контакта.

5. В зависимости от характера легирования заряд может переноситься электронами, либо положительно заряженными “дырками”, электронная или дырочная проводимость, соответственно.

6. Полупроводники обладают выпрямляющими свойствами, при прохождении тока через цепь, состоящию из двух полупроводников, сила тока нелинейно зависит от приложенной разности потенциалов.

Полупроводниковые свойства характерны не только для твердых тел. Существуют и жидкие полупроводники. Как известно существует два типа проводников электрического тока: электронные и ионные. Металлы – электронные проводники. У ионных проводников ток переносится ионами вещества, вследствие чего состав ионного проводника меняется, электролиты. Так же, как и у электролитов, вследствие процессов атомной диффузии области с различными степенями легирования в таких полупроводниках быстро перемешиваются, поэтому создание устойчивых устройств с неоднородным составом невозможно. Также существуют стеклообразные и аморфные полупроводники. Некоторые ароматические углеводороды, фталоцианины, нафталин, нафтацен, антрацен, полипиррол, полиацетилен, полиимид и другие являются полупроводниками, т.е. обладают полупроводниковыми свойствами. В таких органических полупроводниках рост проводимости с температурой ограничен из-за разрушения вещества при высоких температурах.

Эти особенности электрофизических свойств полупроводников обусловили их широкое применение для создания самых различных приборов – для выпрямления тока (диоды), усиления и генерации колебаний (транзисторы), преобразования тепловой энергии (термоэлементы) и световой энергии в электрическую (фотоэлементы), для преобразования электрической энергии в световую (светодиоды, лазеры), полупроводниковые датчики температуры (термисторы), света (фоторезисторы), ядерного излучения (дозиметры), давления (тензодатчики), магнитного поля (датчики Холла).

В основе работы каждого прибора лежат определенные физические явления и процессы. Физика полупроводников - это теоретическая основа полупроводниковой электроники. Разработка новых полупроводниковых материалов, создание на их основе новых приборов, разработка новых устройств и новых высококачественных технологий производства полупроводниковых приборов и ИМС, все это возможно при условии серьезных знаний в области физики полупроводников. Удельное электрическое сопротивление металлов находится в пределах 10-6- 10-4 Ом*см, полупроводников – 10-4-1010Ом*см и диэлектриков 1010-1016 Ом*см. В зависимости от конкретных свойств материала значения удельного сопротивления перекрываются и не могут служить в качестве определения класса вещества. Сильнолегированные полупроводники имеют высокую электропроводность и ведут себя как металлы, а особо чистые полупроводники имеют низкую электрическую проводимость, как у диэлектриков.

Другим определением класса вещества может служить температурная зависимость удельного сопротивления (электропроводности) материала. У металлов удельное сопротивление увеличивается с ростом температуры.

Для металлов характерным является наличие отрицательного коэффициента электропроводности. С увеличением температуры электропроводность металлов падает. У полупроводников, наоборот. удельное сопротивление уменьшается с ростом температур и для них характерно наличие положительного температурного коэффициента электропроводности.

По мере приближения к абсолютному нулю полупроводники становятся непроводящими диэлектриками.

Однако выбор знака температурного коэффициента удельной проводимости в качестве определяющего критерия класс материала осложнен тем, что не во всей температурной области он соблюдается. В некотором интервале температур полупроводники могут вести себя как металлы.

Более точное определение класса материала можно установить лишь на основе изучения электрических и оптических свойств вещества в зависимости от их чистоты и температуры, на основе зонной теории твердого тела. Не вдаваясь в подробности, они будут выявлены ниже, в качестве определения класса вещества будет наличие или отсутствие энергетической щели или энергетической запрещеннной зоны. Полупроводники и диэлектрики имеют запрещенную зону, металлы не имеют. Разделение полупроводников и диэлектриков чисто условное, определяющим здесь является величина ширины запрещенной зоны и отношение ширины запрещенной зоны к температуре. У диэлектриков ширина запрещенной зоны больше, чем у полупроводников.

Контрольные вопросы