Что такое полупроводник

Строение кристаллов полупроводников отличается правильными ковалентными связями, поэтому идеальный представитель этого класса материалов не способен проводить электрический ток. Но повышение температуры или облучение способствует отрыву электрона от атома и он становится носителем тока. Поэтому, пытаясь объяснить, что такое полупроводники простыми словами, можно сказать, что это материалы, способные изменять свои электрические свойства.

Особенности полупроводников

Отличительные особенности полупроводников

К полупроводникам относятся вещества и материалы, величина удельной электрической проводимости которых лежит в широком диапазоне: от 10^-10 до 10⁴ Ом^-1 × м^-1. Полупроводниковые материалы находятся между металлами (σ = 10⁴–10⁶ Ом^-1 × м^-1) и диэлектриками (σ = 10⁴–10⁶ Ом^-1 × м^-1).

Шкала удельных проводимостей

Ключевое отличие полупроводников от металлов заключается в том, что повышение температуры вызывает увеличение их электропроводности. Ещё одним уникальным свойством является высокая чувствительность к воздействию внешнего излучения. Современная электронная промышленность (от простейших диодов и транзисторов до тиражирования больших интегральных схем) полностью базируется на структурах, использующих электрофизические свойства полупроводников.

Историческая справка

Одним из первых на необычную температурную зависимость сульфида серебра (Ag₂S) обратил внимание выдающийся британский физик-экспериментатор М. Фарадей. Электрическое сопротивление этого соединения, имеющего в своём составе значительную долю серебра и считавшегося в то время металлом, при нагревании падало. С 1833 г. по 1838 г. М. Фарадей обнаружил ещё пять веществ с аналогичными свойствами (сульфид ртути HgS, фторид свинца PbF₂ и ряд других).

Физики, открывшие фундаментальные свойства полупроводников

Кроме экспериментов Фарадея, основными вехами в развитии области исследования полупроводников были следующие открытия:

• Обнаружение немецким учёным Т. И. Зеебеком эффекта возникновения термо-ЭДС, возникавшей при помещении двух спаев разнородных проводников (термопара) в различные температурные условия. Эффект удалось объяснить только с помощью общей теории полупроводниковых переходов в ХХ в.
• В 1873 г. английский инженер-электрик У. Смит обнаружил высокую чувствительность селена (Se) к падающему на него освещению. Селен в виде стекловидной массы предполагалось использовать в качестве изоляции для подводного телеграфного кабеля. На свету сопротивление селеновой изоляции резко падало. Было установлено, что селен реагирует даже на небольшой световой поток Луны.
• В 1874 г. немецкий учёный Ф. Браун обнаружил диодный (вентильный) эффект, когда контакт сернистого свинца PbS имел малое сопротивление для одного направления протекающего тока и на несколько порядков большее для противоположного.

Эффект Зеебека

Изучая общие сведения о полупроводниках, можно сделать вывод, что эти материалы из-за своей удельной проводимости находятся между проводниками и диэлектриками. Их проводимость сильно зависит от температуры, различных видов излучения и концентрации примесей. Впервые определение «полупроводник» использовали в 1911 г. в своих работах немецкие физики Вейсс и Кенигсбергер. На немецком языке этот термин произносится как halbleiter, а на английском  — semicoductor.

Физические свойства и характеристики полупроводников

Разгадать физические механизмы и построить математические модели, объясняющие электрические свойства полупроводников, исследователям удалось только в первой половине ХХ в. после разработки основ квантовой механики.

Зонная теория

Движение электронов в кристаллических структурах (металлах, полупроводниках, диэлектриках) описывается с помощью квантовой теории твёрдых сред. Согласно этой теории энергетический спектр электронов в кристаллах радикально отличается от непрерывного энергетического спектра свободных электронов  или спектра электронов, расположенных в изолированных атомах (дискретные уровни с жёстко детерминированным набором разрешённых энергий). Этот спектр состоит из отдельных разрешённых энергетических зон, разделённых зонами запрещённых энергий.

Величина запрещённой зоны определяет величину удельного сопротивления и тип материала

Наивысшие из разрешённых зон энергии в диэлектриках и полупроводниках называются валентными. В них при Т=0° К все уровни энергии заняты электронами. По другую сторону запрещенных зон располагаются так называемые зоны проводимости. В металлах (проводниках) зона проводимости — это наивысшая разрешённая зона, где располагаются электроны при Т=0° К. Именно по этому принципу, задающему взаимное расположение энергетических зон, все твердые материалы разделяют на три основные группы:

• Металлы — запрещённая зона ΔЕ = 0.
• Полупроводники — ΔЕ < 3 эВ.
• Диэлектрики — ΔЕ > 3 эВ.

Электрон-вольт — это внесистемная единица энергии, 1 эВ = 1.602×10^-19 Дж.

Электронно-дырочная проводимость

Для объяснения, какие вещества называют полупроводниками, а также моделирования электрических и оптических процессов, происходящих в них, оказалось очень плодотворным введение понятия о дырочной проводимости наряду с электронной. Например, в кремнии и германии связь между атомами ковалентная (электроны соседних атомов образуют «родственные», связующие пары). Для создания проводимости требуется разрыв, как минимум, одной из связей, после чего электрон переместится в место, где все связи «укомплектованы», поэтому одинокий электрон является избыточным, перемещаясь внутри кристалла. Тем самым он становится переносчиком отрицательного заряда и превращается в электрон проводимости.

Ранее разорванная связь превращается в перемещающуюся по кристаллу «дырку» в силу того, что один из соседних электронов занимает образовавшееся вакантное место. Отсутствие электрона у одной из ковалентных связей означает появление дырки —  квазичастицы с положительным зарядом. Чтобы образовалась пара электрон-дырка требуется затратить энергию, необходимую для преодоления запрещённой зоны. Например, для кремния  ΔЕ = 1.1 эВ, для германия  ΔЕ = 0.66 эВ.

Электроны и дырки

В идеальном (чистом) полупроводнике число электронов всегда в точности равно числу дырок. Для создания слоёв с разными типами проводимости в полупроводниковые материалы внедряются легирующие примеси, которые делятся на доноры и акцепторы:

• Доноры, будучи 5-валентными, при вступлении в ковалентную связь теряют один электрон, который становится свободным носителем электрозаряда. Использование донорных примесей позволяет создавать n-типы полупроводников (n — negative) c электронной проводимостью.
• Акцепторы, будучи 3-валентными, увеличивают концентрацию дырок, после чего полупроводник становится p-типа (p — positive) c дырочной проводимостью.

Комбинируя p и n слои на одной пластине физики научились создавать p-n-переходы, ставшие основой для полупроводниковых диодов, транзисторов, тиристоров, микросхем.

Доноры и акцепторы

Виды современных полупроводников

На сегодняшний день найдено и изучено большое количество веществ, обладающих полупроводниковыми свойствами. В общем виде классификация полупроводников учитывает их основные свойства и подразумевает две основные группы материалов:

• Простые полупроводники — химические элементы из таблицы Менделеева: германий (Ge), сурьма (Sb), кремний (Si), углерод (C), селен (Se), бор (B), сера (S), йод (I), теллур (Te). Широко применяются кремний, германий и селен. Остальные вещества используются в качестве легирующих примесей или как компоненты, входящие в состав сложных полупроводников.
• Сложные полупроводники — это материалы, состоящие из нескольких химических элементов (из двух, трёх и более). Примеры полупроводников данного типа: бинарные соединения с мышьяком — арсениды, с серой — сульфиды, с углеродом — карбиды, с теллуром — теллуриды. Виды сложных полупроводников выделяют по принадлежности компонентов соединения к группам таблицы Менделеева и обозначают заглавными латинскими буквами (первый элемент — А, второй — В). Например, в электронной промышленности нашли широкое применение такие соединения А^IIIВ^V, как InSb, GaP, InAs, InP, GaSb, AlSb, GaN, InN.

Типы полупроводников

Электронные устройства на  основе полупроводников

Следует отметить, что свойства полупроводниковых материалов изучены намного лучше, чем свойства металлов и диэлектриков. Это связано с их широким применением в радиоэлектронике. Полупроводниковые приборы, если говорить кратко, являются основным стимулом изучения полупроводников.

Устройства на основе p-n-переходов

Свойства полупроводниковых материалов, структура которых строится на различных комбинациях слоев с электронной и дырочной проводимостью, стали основой электронных компонентов, используемых для управления и преобразования электрических и оптических сигналов. Это такие радиоэлектронные элементы, как:

• Диоды.
• Биполярные транзисторы.
• Полевые (МДП-транзисторы).
• Тиристоры.
• Варикапы.
• Стабилитроны (диоды Зенера).
• Фотодиоды.
• Солнечные батареи.
• Светодиоды.
• Стабисторы.
• PIN-диоды.
• Туннельные диоды.
• Полупроводниковые лазеры.

Полупроводниковые устройства

Микросхемы

В отдельный класс можно выделить микросхемы, которые на одной кремниевой пластине могут объединять сотни тысяч отдельных элементов, выполняющих работу аналоговых или цифровых устройств.

Микросхемы

Гетероструктуры

Одним из самых ярких достижений в области физики полупроводником является создание гетероструктур. Полупроводники гетероструктурного типа — это слоистые сэндвич-структуры из различных материалов, отличающихся шириной запрещённой зоны.

Гетероструктуры

За создание гетероструктур российскому физику Жоресу Алфёрову в 2000 г. была присуждена Нобелевская премия.

Жорес Алфёров — создатель гетероструктур

Сферы применения

На сегодняшний день применение полупроводников довольно широкое. Они являются основной элементной базой для приборов гражданского (коммерческого) и специального назначений, таких как компьютеры, смартфоны, теле- и видеотехника. Современные транспортные средства буквально «напичканы» полупроводниковыми микросхемами, оптимизирующими массу параметров двигателя и прочих систем автомобилей, самолетов и поездов.

Полупроводники и их свойства позволили полностью осуществить замену громоздких вакуумных, электронных ламп на компактные, ударопрочные устройства. С помощью тысяч транзисторов, размещённых на одной кремниевой пластине, инженеры-электронщики создают универсальные, программируемые микросхемы: операционные усилители, процессоры, карты памяти и другие устройства. Физические и оптические свойства полупроводников позволили создать фотоприёмники, светодиоды, приборы ночного видения, полупроводниковые лазеры.

Страны с развитыми экономиками продолжают инвестировать огромные средства в исследования, в ходе которых создаются новые полупроводниковые материалы и структуры.

Видео по теме