Właściwości półprzewodników

Środa, Sierpień 15, 2011 Napisane przez Admin

Za półprzewodniki przyjęło się uważać materiały, których rezystywności w temperaturze pokojowej zawarte są w przedziale od 10"6 do 108 Qcm, t.j. w obszarze pośrednim między metalami i izolatorami. Takie określenie jest jednak mało precyzyjne i nie oddaje specyficznych właściwości tych materiałów.

Cechy określające półprzewonik można zbiorczo określić następująco:
- Półprzewodnik w stanie „czystym" (niedomieszkowany, samoistny) wykazuje w pewnym obszarze zmian temperatury wykładniczą zależność konduktywności a od temperatury 7 " W 1 a(T) = a0exp - gdzie Wa jest energią aktywacji procesów przewodnictwa.
- W wyniku domieszkowania (celowego wprowadzania niedużej ilości obcego pierwiastka - domieszki) rezystancja półprzewodnika silnie maleje. Przykładowo wprowadzenie arsenu do krzemu niedomieszkowanego w ilości jeden atom As na 106 atomów Si powoduje wzrost konduktywności (dla 7=300 K) w stosunku asl{ as) = \0l(Qcm)-1 = 3 _ aSl 0,33-10-5 (Qcm)_1 a więc domieszkowanie w ilości 1 ppm atomowy zwiększa przewodnictwo 3 miliony razy.
- Przewodnictwo półprzewodnika zmienia się (na ogół rośnie) w wyniku oświetlenia, naświetlenia cząstkami jądrowymi czy wysokoenergetycznymi elektronami, „wstrzyknięcia" nośników poprzez odpowiedni kontakt elektryczny.
- W zależności od rodzaju domieszkowania nośnikami większościowymi prądu w półprzewodniku są ujemne elektrony (półprzewodnik donorowy - typu n) lub dodatnie dziury (półprzewodnik akceptorowy - typu p). Często domieszkowanie przeprowadza się w ten sposób, że pewne obszary tego samego półprzewodnika wykazują przewodnictwo elektronowe a inne obszary przewodnictwo dziurowe. Na granicy dwóch obszarów różnie domieszkowanych tworzy się tzw. złącze, a własnościwości takich złączy decydują w głównej mierze o wykorzystaniu półprzewodników w elektronice.
Podane powyżej właściwości definiujące półprzewodniki pozwalają odróżnić je od metali, które posiadają duże przewodnictwo, słabo zależne od warunków zewnętrznych (stan przewodnictwa metali jest stanem niewzbudzonym). Podanie przedziału rezystywności typowych dla półprzewodników pozwala odróżnić je od dielektryków, które pod wieloma względami podobne są do półprzewodników.

Półprzewodniki stosowane w elektronice

Środa, Sierpień 15, 2011 Napisane przez Admin

Duża ilość materiałów wykazuje właściwości półprzewodnikowe, ale tylko niewielka ich grupa jest obecnie stosowana w elektronice. Wraz z rozwojem technologii otrzymywania czystych materiałów i skutecznego ich domieszkowania, liczba półprzewodników stosowanych w praktyce szybko wzrasta. Jako półprzewodniki znane są zarówno materiały proste (pierwiastki) jak i związki chemiczne oraz mieszaniny tych związków. Półprzewodniki pierwiastkowe to: bor B, węgiel C, krzem Si, fosfor P, siarka S, german Ge, arsen As, szara cyna Sn, antymon Sb, tellur Te, jod J. Z półprzewodników tych największe znaczenie praktyczne ma Si i częściowo Ge. Właściwości półprzewodnikowe wykazuje szereg materiałów w x 8 x postaci podwójnych związków typu A B " , gdzie x oznacza grupę do której należą pierwiastki A, a (8-x) grupę do której należą pierwiastki B.
- Związki typu A Bvn to np. CuBr, KBr, LiF ale bez szerszego zastosowania.
- Związki A1 BVI to tlenki, siarczki, selenki i tellurki metali drugiej grupy, z których najważniejsze to: CdS, ZnS, CdSe, ZnSe, HgSe, CdTe, HgTe.
- Związki A111 Bv , o szerokim zastosowaniu w elektronice, takie jak azotki, fosforki, arsenki i antymonki aluminium, galu, indu: GaAs, GaP, GaN, InSb, InP, AlAs.
- Związki A B , w tym głównie SiC i SiGe. Z innych związków należy wymienić A B : PbS, PbSe, PbTe oraz związki bardziej złożone i roztwory stałe: GaAlAs, GaAsP, InGaSb, InCdSeTe.

Własności elektryczne półprzewodników

Środa, Sierpień 15, 2011 Napisane przez Admin

Półprzewodniki są to krystaliczne ciała stałe charakteryzujące się tym, że ich przewodność elektryczna:
— rośnie szybko w szerokim zakresie wraz z temperaturą,
— wykazuje dużą wrażliwość na niezmiernie małe ilości niektórych domieszek.
Grupa tych materiałów ze względu na przewodnictwo elektryczne znajduje się pomiędzy metalami a dielektrykami (materiałami izolacyjnymi). Dobra przewodność elektryczna metali wynika z ich budowy atomowej. Metal składa się z atomów, które łączą się ze sobą tak, że jeden zewnętrzny elektron każdego z atomów jest odrzucany. Te odrzucone elektrony nazywają się elektronami swobodnymi i tworzą w bryle metalu „gaz elektronowy”, który zapewnia dobrą przewodność elektryczną. W dielektryku zewnętrzne elektrony jednego atomu łączą się w pary z elektronami sąsiedniego atomu. Te pary (znane jako wiązania kowalentne) wykorzystują wszystkie elektrony zewnętrzne i w bryle materiału izolacyjnego nie ma praktycznie elektronów swobodnych. Dlatego dielektryki nie przewodzą prądu elektrycznego. Na rysunku przedstawiono strukturę diamentu za pomocą dwuwymiarowego schematu.

Budowa półprzewodników jest podobna do budowy atomowej dielektryków. Różnica polega na tym, że wiązania kowalentne w półprzewodnikach są dużo słabsze niż w dielektrykach. I dlatego w bryle materiału półprzewodnikowego w zwykłych warunkach temperaturowych znajduje się wiele elektronów swobodnych, dzięki zerwaniu słabych wiązań kowalentnych. Miejsce po opuszczonym elektronie wiązania kowalentnego nazywa się dziurą. Ponieważ elektron opuszczający wiązanie przeniósł ujemny ładunek z obszaru obojętnego dotychczas elektrycznie, dlatego utworzona dziura jest obszarem wypadkowego ładunku dodatniego. W większości rozważań można traktować dziurę jako naładowaną cząstkę, poruszającą się swobodnie w krysztale. Stąd wynika, że w półprzewodnikach prąd elektryczny może być utworzony przez ruch elektronów swobodnych i dziurę. Utworzenie takiej pary swobodnych nośników ładunków elektrycznych przedstawiono na rysunku poniżej:

Ruch dziur w półprzewodniku odbywa się w ten sposób, że elektron z sąsiedniego kompletnego wiązania może łatwo przenieść się, „wskoczyć” do wiązania zerowego, pozostawiając za sobą zerwane wiązanie - dziurę.
W czystym półprzewodniku liczba dziur i elektronów swobodnych jest taka sama. Przewodnictwo elektryczne występujące w takich półprzewodnikach nazywa się przewodnictwem samoistnym.
Przewodnictwo elektryczne półprzewodników, a więc liczba powstających elektronów swobodnych i dziur, rośnie gwałtownie wraz z temperaturą, zależy również od promieniowania świetlnego, kosmicznego, rentgenowskiego, natężenia pola elektrycznego itp., wszystkiego co osłabia wiązania kowalentne. Najszersze zastosowania w elektronice znalazły takie półprzewodniki, jak german i krzem, których budowa jest dobrze znana, co ułatwia znacznie projektowanie elementów wykonywanych z tych materiałów. W przypadku germanu atomy są związane ze sobą energią ok. 0,7 eV, w krzemie 1,1 eV. Dla porównania dodajmy, że w diamencie energia wiązania wynosi ok. 7 eV. Uwaga. Jeden elektronowolt jest energią uzyskaną przez elektron przebywający bez przeszkód drogę między punktami o różnicy potencjałów 1 V (1 eV = 1,602.10"19 J).
Jeżeli w miejsce atomu germanu (lub krzemu) zostanie wprowadzony inny atom, tzw. atom domieszki, który ma 5 elektronów walencyjnych (może to być np. atom fosforu,antymonu), wówczas elektron, który nie tworzy wiązania z sąsiednim atomem germanu i jest słabo związany ze swoim macierzystym atomem (domieszki), staje się elektronem swobodnym. Fosfor i inne pierwiastki oddające swoje elektrony do bryły kryształu nazywają się donorami. Atomy donorowe po oddaniu elektronu stają się jonami dodatnimi. Półprzewodnik, który ma domieszki donorowe nazywa się półprzewodnikiem typu n (rys. 1.3a). Zwiększenie liczby elektronów swobodnych przez wprowadzenie dodatkowych atomów donorowych zredukuje koncentrację dziur, które istniały w półprzewodniku, gdyż w stanie równowagi według praw fizyki iloczyn algebraiczny koncentracji dziur i elektronów pozostaje bez zmiany (jest taki sam jak w półprzewodniku idealnie czystym). Kryształ w całości zawierający domieszkę donorową ma znacznie więcej elektronów swobodnych niż dziur i dlatego elektrony nazywają się w takim przypadku nośnikami większościowymi, a dziury — nośnikami mniejszościowymi. Jeżeli w miejsce atomu germanu (lub krzemu) zostanie wprowadzony atom domieszki, który ma tylko trzy elektrony walencyjne, np. atom boru, to w siatce krystalicznej germanu zabraknie dla boru jednego elektronu do wytworzenia czterech wiązań kowalentnych (międzyatomowych). Powstałe w ten sposób niekompletne wiązanie w strukturze kryształu powoduje powstanie dziury. Bor, glin i inne pierwiastki, których dodanie powoduje powstawanie dziur, nazywają się akceptorami. Półprzewodnik, który ma domieszki akceptorowe nazywa się półprzewodnikiem typu p (rys. 1.3b). Jeżeli w półprzewodniku obecne są jednocześnie atomy donorowe i akceptorowe, to ich wpływ znosi się wzajemnie — kompensuje. Wypadkowe przewodnictwo określa nadmiar jednych nośników nad pozostałymi.
Uwaga. Ułatwieniem w zrozumieniu istoty przewodnictwa elektrycznego jest teoria pasmowa ciała stałego, która jest teorią kwantowomechaniczną.
Elektrony znajdujące się bliżej jądra atomu mają mniejsze wartości energii, tj. znajdują się na niższym poziomie energetycznym. W krysztale ciała stałego atomów jest tak dużo, a odległości między nimi są tak małe, że na skutek wzajemnego oddziaływania oddzielne poziomy poszczególnych atomów łączą się w pasma (strefy) dozwolonych poziomów energetycznych oddzielonych pasmami zabronionymi.