В.3. Классификация веществ по удельной электрической проводимости. Основные представления о свойствах полупроводников
Все многообразие веществ в природе с точки зрения их способности проводить электрический ток можно подразделить на три больших класса. Материалы, удельное сопротивление которых не превышает примерно Материалы с удельным сопротивлением больше 1010 Ом×см называются диэлектриками. (например, при 200 °С для слюды в зависимости от ее состава Вещества, удельное сопротивление которых лежит в промежуточной области (от 10-4 до 1010 Ом×см), исторически были отнесены к полупроводникам (например, удельное сопротивление сернистого кадмия при комнатной температуре в зависимости от технологии его изготовления лежит в пределах от 10-3 до 1012 Ом-см, германия от 10-4 до 47 Ом-см, а кремния от 10-4 до 2,2.105 Ом-см). Отнести к какой либо из вышеуказанных групп материал только по данным величины удельного сопротивления на практике оказывается затруднительным, так как значения удельного сопротивления веществ, относящихся к различным классам, перекрываются. Так, например, при чрезвычайно большом содержании примеси бора (~ 1021 см-3) удельное сопротивление такого классического полупроводникового материала как кремний примерно равно 10-4 Ом×см, что согласно приведенному выше критерию дает основание считать такой материал проводником. Однако это не так. Точно так же кристаллы арсенида галлия при введении примесей хрома, железа или кислорода становятся практически изоляторами. Их удельное сопротивление возрастает до 107 Ом×см, но по всем остальным свойствам эти изолирующие кристаллы по-прежнему являются полупроводниками. Эти примеры свидетельствуют о том, что классификация веществ, основанная на различии в величинах их удельного сопротивления, чисто условна, хотя с точки зрения использования материалов в электротехнике и электронике вполне оправдана в силу практической важности. При этом особенно трудно разделить полупроводники и металлы. Кенигсбергер впервые обратил внимание на то, что от металлов полупроводники прежде всего отличаются не величиной, а характером зависимости удельной электрической проводимости от температуры. В первом опубликованном еще 1914 году обзоре по свойствам полупроводников Кенигсберг вводит понятие "класса полупроводников": полупроводниками будут называться проводники с металлической проводимостью, сопротивление которых очень сильно изменяется с температурой. Количественно зависимость проводимости от температуры он предложил описывать соотношением: s = А exp (-Q/T), (В.1) где s - проводимость, Т – температура, измеряемая в Кельвинах (Т = 273 + Т[oC] ), Q – константа, характерная для каждого полупроводникового вещества. У металлов с ростом температуры r увеличивается пропорционально абсолютной температуре Т, то есть r = rо (1+aТ), (В.2)
В общем случае, у металлов, не обладающих сверхпроводимостью, при низких температурах из-за наличия примесей, наблюдается область 1 – область остаточного сопротивления, почти не зависящая от температуры (рис. В-4). Остаточное сопротивление - rост тем меньше, чем чище металл. Быстрый рост удельного сопротивления при низких температурах до температуры Дебая θд может быть объяснен возбуждением новых частот тепловых колебаний решетки, при которых происходит рассеяние носителей заряда - область 2. При Т > θд, когда спектр колебаний возбужден полностью, увеличение амплитуды колебаний с ростом температуры приводит к линейному росту сопротивления примерно до Тпл - область 3. При нарушении периодичности структуры электрон испытывает рассеяние, приводящее к изменению направления движения, конечным длинам свободного пробега и проводимости металла. Энергия электронов проводимости в металлах составляет 3–15 эВ, что соответствует длинам волн 3–7 Å. Поэтому любые нарушения периодичности, обусловленные примесями, дефектами, поверхностью кристалла или тепловыми колебаниями атомов (фононами) вызывают рост удельного сопротивления металла. Рис. В-4. Зависимость удельного сопротивления металла от температуры Типичные температурные зависимости удельной проводимости для некоторых конкретных металлов и полупроводников представлены на рис. В-5.
На основании соотношения (В.1) можно заключить, что температурный коэффициент удельной проводимости, определяемый соотношением Ds/DT=(s2-s1)/(T2-T1) (В.3) у полупроводников – положительный, тогда как у металлов – отрицательный. Однако по знаку температурного коэффициента удельной проводимости также не всегда можно установить принадлежность вещества к классу полупроводников. По типу носителей заряда полупроводники делятся на ионные и электронные. В ионных полупроводниках носителями заряда служат ионы решетки, а в электронных — электроны и дырки. Типичным представителем ионных полупроводников являются некоторые оксидные стекла. Прохождение тока через такие полупроводники сопровождается переносом вещества. Согласно современным представлениям к классу электронных полупроводников относятся кристаллические материалы, характеризующиеся следующими свойствами: По удельному сопротивлению – величине и температурной зависимости: · величина удельного сопротивления лежит в диапазоне от 10-4 до 1010 Ом×см; · в собственном (чистом, не содержащем примесей) полупроводнике проводимость экспоненциально растет с температурой; · в примесном полупроводнике проводимость сильно зависит от концентрации примесей. В сильно-легированных полупроводниках проводимость очень слабо зависит от температуры — так же, как и в металлах; · по сравнению с металлами, полупроводники имеют большие значения термоэдс. По реакции на облучение светом или радиацией: · полупроводники чувствительны к свету; характерным для полупроводников является появление фото-эдс или изменение сопротивления при освещении; · проводимость возрастает при облучении полупроводника светом или электронами высокой энергии. По реакции на внешнее электрическое поле или градиент концентрации: · в зависимости от характера легирования, заряд может переноситься либо электронами, либо так называемыми положительно заряженными "дырками"; · в электрическом поле дырка движется так же, как позитрон, но в других отношениях эта аналогия отсутствует; · проводимость возрастает при инжекции носителей заряда из подходящего металлического контакта или из области с противоположным типом легирования. Следовательно, полупроводники — это такие материалы, которые при комнатной температуре имеют удельное сопротивление в интервале от 1010 до 10-4 Ом см, зависящее в сильной степени от структуры вещества, вида и количества примеси и от внешних условий: температуры, освещения, облучения ядерными частицами, электрического и магнитного полей. К электронным полупроводникам относятся многие вещества: 1) чистые элементы: В, С, Si, P, Аs, Sb, Se, Те, I …; 2) соединения типа аIBYI (СuО, Сu2О, СuS …), где индексы указывают группу элемента в периодической таблице Менделеева; 3) соединения аIBYII (СuCl, AgBr …); 4) соединения аIIBIY (ZnS, CdS, ZnO...); 5) соединения аIIIBY (GaAs, GaP, InAs, InP, AlP, AlBi 6) соединения аYIBYI (SiC….); 7) соединения аIYBIY (PbS, PbTe ...); 8) большинство минералов; 9) многие органические соединения, такие как фталоцианины и полициклические ароматические углеводороды (например, бензол, нафталин, антрацен, нафтацен, коронен и др.). Полупроводниковыми свойствами обладают также ферриты, сегнетоэлектрики и пьезоэлектрики, твердые растворы полупроводников и другие, более сложные соединения. Полупроводниковые свойства характерны не только для твердых тел. Существуют и жидкие полупроводники. Однако вследствие процессов атомной диффузии области с различными степенями легирования в таких полупроводниках быстро перемешиваются, поэтому создание устойчивых устройств с неоднородным составом невозможно. В последнее время большое внимание привлекли к себе стеклообразные и аморфные полупроводники, которые могут найти применение в технике в качестве быстродействующих переключателей, если удастся улучшить воспроизводимость их элементного состава, структуры и иных характеристик. В ароматических углеводородах, которые являются полупроводниками, рост проводимости с температурой ограничен из-за разрушения вещества при высоких температурах.
Предметом рассмотрения в настоящем лекционном курсе будут твердые полупроводниковые материалы.
Популярное: Как выбрать специалиста по управлению гостиницей: Понятно, что управление гостиницей невозможно без специальных знаний. Соответственно, важна квалификация... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (6499)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |