ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ
Важнейшая роль полупроводников в радиоэлектронике обусловлена тем, что они служат основой активных приборов, способных усиливать мощность или преобразовывать одни виды энергии в другие (но не в тепло) в малом объеме твердого тела без существенных потерь [8].
Приведем признаки полупроводниковых материалов.
1. Основным признаком полупроводника является большая, чем у металлов, но меньшая, чем у диэлектриков, электропроводность.
2. Полупроводники при комнатной температуре могут иметь удельное сопротивление 10-4¸109 Ом×см, удобное для технических применений.
3. Удельное сопротивление любого полупроводника можно изменять в широких пределах (на несколько порядков значений r), варьируя концентрацией электрически активных примесей - донорных и акцепторных. По этому признаку полупроводники отличаются от диэлектриков, удельное сопротивление которых слабо зависит от состава, поскольку электрически активных примесей для диэлектриков не существует.
4. При неизменном составе и структуре удельное сопротивление полупроводников может изменяться за счет подвода внешней энергии: тепловой, электромагнитной, радиационной, ядерной, механической.
5. Удельное сопротивление полупроводников падает при нагревании, так как растет число свободных электронов за счет увеличения числа перебросов электронов (3) из валентной зоны (2) в зону проводимости (1) (рис. 1.1).
6. Ширина запрещенной зоны полупроводников лежит в пределах 0< φЗ <3 эВ.
7. В широком диапазоне значений электрические параметры полупроводников строго однозначны и предсказуемы благодаря высокой чистоте и совершенной, как правило, монокристаллической структуре.
Классификация.
По агрегатному состоянию полупроводниковые материалы используются в твердом виде. По структуре бывают монокристаллические, поликристаллические и аморфные. По химическому составу полупроводниковые материалы делятся на простые и сложные, а также органические и неорганические. Большее применение получили неорганические. Простые полупроводники состоят из одного химического элемента: кремний (Si), германий (Ge). Сложные - из нескольких химических элементов, это могут быть двойные и тройные соединения, например, арсенид галлия (GaAs), арсенид галлия – алюминия (GaAlxAs(1-x)), x – % содержание компонента.
В зависимости от типа проводимости полупроводники делятся на собственные, электронные и дырочные.
1.3. Параметры полупроводниковых материалов:
1. Ширина запрещенной зоны. ( jз, эВ) – энергия, которая необходима, чтобы вырвать электрон из связи. jз – не является константой материала, т. к. меняется с ростом температуры. Поэтому в справочниках указывают температуру, при которой измерено jз. Она является структурно не чувствительным параметром до тех пор, пока полупроводник не становится вырожденным. Она определяет и многие другие свойства полупроводниковых материалов, например верхнюю рабочую температуру полупроводниковых приборов. Чем больше jз, тем больше эта верхняя рабочая температура полупроводникового материала. Значение верхних рабочих температур приведено в таблице 1.1
Таблица 1.1
| jз , эВ | T, °C | ni, см-3 | |
| Ge | 0,71 | 1013 | |
| Si | 1,12 | 1010 | |
| GaAs | 1,43 | 106 |
Ширина запрещенной зоны (jз) определяет концентрацию собственных зарядов полупроводника (ni) и чем больше jз, тем больше концентрация собственных зарядов. Соотношение jз и ni приведено в таблице 1.1. Она так же определяет длину волны света, испускаемого полупроводником при излучательной рекомбинации, так называемую красную границу (lкр) испускания. Значение lкр определяется выражением:
Чем больше jз, тем меньше lкр. Значение lкр определяет оптическую прозрачность полупроводника. Для кремния с jз = 1,12 эВ красная граница лежит за пределами видимого спектра, фосфид индия имеет jз = 0,6 эВ, поэтому lкр находится в пределах видимого света, и он прозрачный материал жёлтого цвета.
2. ni -концентрация собственных носителей заряда (cм-3, м-3).
Значение ni указывается при строго определенной температуре, т. к. сильно зависит от нее. Эта зависимость носит экспоненциальный характер и определяется выражением:
Графическая зависимость изображается, как функция ln ni от 1 /Т и представлена на рис.1.2
3. Подвижность свободных носителей заряда ( mn и mp )
Подвижность равна дрейфовой скорости свободных зарядов в поле напряженностью 1в/м или 1в/см. Единицей измерения подвижности являются (см2/В×с; м2/В×с). Подвижность определяет быстродействие полупроводниковых приборов. Поскольку, mn>mp, то приборы на электронных полупроводниках являются более высокочастотными, чем на дырочных. Подвижность является структурночувствительным параметром и, с увеличением концентрации примеси, подвижность падает. Значение подвижности так же зависит от температуры, и эта зависимость приведена на рис.1.3.
4. Эффективная масса электронов и дырок m n, m p приводится в соотношении к массе покоя частиц.
Относительная диэлектрическая проницаемость.
Плотность материала.
