Polovodič

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 4. července 2022; kontroly vyžadují 9 úprav .

Polovodič  je materiál, který z hlediska měrné vodivosti zaujímá mezilehlou polohu mezi vodiči a dielektrikem a od vodičů (kovů) se liší silnou závislostí měrné vodivosti na koncentraci nečistot, teplotě a vystavení různým typům záření. Hlavní vlastností polovodičů je zvyšování elektrické vodivosti s rostoucí teplotou.

Polovodiče jsou krystalické látky s zakázaným pásmem v řádu elektronvoltů (eV). Například diamant lze připsat polovodičům se širokou mezerou (asi 7 eV ) a arsenidu india  - úzké mezeře (). 0,35 eV Polovodiče zahrnují mnoho chemických prvků (germanium, křemík , selen , telur, arsen a další), velké množství slitin a chemických sloučenin (arsenid gallia atd.).

Atom jiného chemického prvku v čisté krystalové mřížce (například atom fosforu, boru atd. v krystalu křemíku) se nazývá nečistota . V závislosti na tom, zda atom nečistoty dává elektron krystalu (ve výše uvedeném příkladu fosfor) nebo jej zachycuje (bor), se atomy nečistot nazývají donor nebo akceptor . Povaha nečistoty se může měnit v závislosti na tom, který atom krystalové mřížky nahrazuje, v jaké krystalografické rovině je zasazena.

Vodivost polovodičů závisí na teplotě. V blízkosti teploty absolutní nuly mají polovodiče vlastnosti dielektrik .

Mechanismus elektrického vedení

Polovodiče se vyznačují vlastnostmi jak vodičů, tak dielektrik . V polovodičových krystalech vytvářejí atomy kovalentní vazby (to znamená, že jeden elektron v křemíkovém krystalu je vázán dvěma atomy) a elektrony potřebují úroveň vnitřní energie, aby se z atomu uvolnily (1,76⋅10 −19 J oproti 11,2⋅10 −19 J než a charakterizuje rozdíl mezi polovodiči a dielektriky). Tato energie se v nich objevuje při zvýšení teploty (např. při pokojové teplotě je energetická hladina tepelného pohybu atomů 0,04⋅10 −19 J) a jednotlivé elektrony dostávají energii na odtržení od jádra. S rostoucí teplotou roste počet volných elektronů a děr, proto u polovodiče, který neobsahuje nečistoty, elektrický odpor klesá. Obvykle je obvyklé považovat za polovodiče prvky s energií vazby elektronů menší než 1,5-2 eV. Mechanismus vedení elektronovou dírou se projevuje u vlastních (tedy bez příměsí) polovodičů. Říká se tomu vlastní elektrická vodivost polovodičů.

Díra

Při porušení vazby mezi elektronem a jádrem se v elektronovém obalu atomu objeví volné místo. To způsobí přenos elektronu z jiného atomu na atom s volným prostorem. Atom, ze kterého elektron prošel, vstupuje do dalšího elektronu z jiného atomu atd. Tento proces je dán kovalentními vazbami atomů. Dochází tedy k pohybu kladného náboje bez pohybu samotného atomu. Tento podmíněný kladný náboj se nazývá díra .

Pohyblivost děr v polovodiči je obvykle nižší než pohyblivost elektronů.

Energetické zóny

Mezi vodivostním pásem Ep a valenčním pásmem E se nachází zóna zakázaných hodnot energie elektronu Es . Rozdíl E p − E in je roven zakázanému pásmu E s . Se zvětšováním šířky Es klesá počet párů elektron-díra a vodivost vlastního polovodiče a zvyšuje se odpor .

Mobilita

Mobilita je koeficient úměrnosti mezi driftovou rychlostí proudových nosičů a velikostí aplikovaného elektrického pole .

V tomto případě obecně řečeno, v anizotropních krystalech je pohyblivost tenzor se součástmi

Pohyblivost elektronů a děr závisí na jejich koncentraci v polovodiči (viz obrázek). Při vysoké koncentraci nosičů náboje se zvyšuje pravděpodobnost srážky mezi nimi, což vede ke snížení mobility, ale i přes snížení mobility se vodivost zvyšuje se zvýšením stupně dopingu, protože pokles mobility je kompenzován zvýšením koncentrace nosičů náboje.

Jednotkou pohyblivosti je /( V s ) v SI nebo cm / ( V s ) v CGS .

Vlastní vodivost

V termodynamické rovnováze souvisí koncentrace elektronů v polovodiči s teplotou podle následujícího vztahu:

kde:

 - Planckova konstanta ;  je hmotnost elektronu ;  je absolutní teplota ;  je úroveň vodivostního pásma;  je Fermiho hladina .

Také koncentrace děr v polovodiči souvisí s teplotou podle následujícího vztahu:

kde:

 je Planckova konstanta .  je efektivní hmotnost otvoru;  je absolutní teplota ;  je Fermiho hladina ;  je úroveň valenčního pásma.

Vnitřní koncentrace souvisí a podle následujícího vztahu:

Typy polovodičů

Podle povahy vodivosti

Vlastní vodivost

Polovodiče, ve kterých se v procesu ionizace atomů, z nichž je celý krystal postaven, objevují volné elektrony a „díry“, se nazývají polovodiče s vlastní vodivostí. V polovodičích s vlastní vodivostí se koncentrace volných elektronů rovná koncentraci „děr“.

Vodivost souvisí s pohyblivostí částic následujícím vztahem:

kde  je měrný odpor,  je pohyblivost elektronů ,  je pohyblivost děr,  je jejich koncentrace, q je elementární elektrický náboj (1,602⋅10 −19 C).

U vlastního polovodiče jsou koncentrace nosiče stejné a vzorec má tvar:

Vodivost nečistot

K vytvoření polovodičových součástek se často používají krystaly s vodivostí nečistot . Takové krystaly se vyrábějí vnesením nečistot do atomů trojmocného nebo pětimocného chemického prvku.

Podle typu vodivosti

Elektronické polovodiče (typu n)

Termín "n-typ" pochází ze slova "negativní", označující negativní náboj většinových nosičů. Tento typ polovodiče má nečistotovou povahu. Nečistota pětimocného polovodiče (například arsen ) se přidává do čtyřmocného polovodiče (například křemíku ). V procesu interakce každý atom nečistoty vstupuje do kovalentní vazby s atomy křemíku. V nasycených valenčních vazbách však pro pátý elektron atomu arsenu není místo a přechází do vzdáleného elektronového obalu. Tam je k oddělení elektronu od atomu potřeba menší množství energie. Elektron se odlomí a uvolní se. V tomto případě je přenos náboje prováděn elektronem, nikoli dírou, to znamená, že tento typ polovodiče vede elektrický proud jako kovy. Nečistoty, které se přidávají do polovodičů, v důsledku čehož se mění na polovodiče typu n, se nazývají donor .

Vodivost N-polovodičů je přibližně rovna:

Dírkové polovodiče (p-type)

Termín „p-typ“ pochází ze slova „pozitivní“, označující kladný náboj většinových nosičů. Tento typ polovodičů se kromě příměsové báze vyznačuje děrovým charakterem vodivosti. Malé množství atomů trojmocného prvku (například india ) je přidáno do čtyřmocného polovodiče (například křemíku ). Každý atom nečistoty vytváří kovalentní vazbu se třemi sousedními atomy křemíku. Aby se vytvořila vazba se čtvrtým atomem křemíku, atom india nemá valenční elektron, takže zachytí valenční elektron z kovalentní vazby mezi sousedními atomy křemíku a stane se záporně nabitým iontem, v důsledku čehož se vytvoří díra . Nečistoty, které se v tomto případě přidávají, se nazývají akceptorové nečistoty .

Vodivost p-polovodičů je přibližně rovna:

Použití v radiotechnice

Polovodičová dioda

Polovodičová dioda se skládá ze dvou typů polovodičů - děrových a elektronických. Během kontaktu mezi těmito oblastmi přecházejí elektrony z oblasti s polovodičem typu n do oblasti s polovodičem typu p, které se pak rekombinují s dírami. V důsledku toho mezi oběma oblastmi vzniká elektrické pole, které stanoví hranici pro dělení polovodičů - tzv. pn přechod . V důsledku toho vzniká nekompenzovaný náboj od záporných iontů v oblasti s polovodičem typu p a nekompenzovaný náboj od kladných iontů v oblasti s polovodičem typu n. Rozdíl mezi potenciály dosahuje 0,3-0,6 V.

Vztah mezi potenciálním rozdílem a koncentrací nečistot je vyjádřen následujícím vzorcem:

kde  je termodynamické napětí,  je koncentrace elektronů,  je koncentrace děr,  je vnitřní koncentrace [1] .

V procesu přivádění napětí s plusem na p-polovodič a mínus na n-polovodič bude vnější elektrické pole namířeno proti vnitřnímu elektrickému poli pn-přechodu a při dostatečném napětí elektrony překonají pn-přechod a v obvodu diody se objeví elektrický proud (dopředné vedení, diodou prochází maximální elektrický proud). Při přivedení napětí mínus do oblasti s polovodičem typu p a plus do oblasti s polovodičem typu n vznikne mezi oběma oblastmi oblast, která nemá volné nosiče elektrického proudu (reverzní vedení, dioda odolává průchodu elektrického proudu). Zpětný proud polovodičové diody je blízký nule, ale ne nule, protože v obou oblastech jsou vždy malé nosiče náboje. Pro tyto dopravce bude pn-křižovatka otevřená.

Pn přechod tedy vykazuje vlastnosti jednosměrného vedení , které je způsobeno aplikací napětí s různými polaritami. Tato vlastnost se používá k usměrnění střídavého proudu .

Tranzistor

Tranzistor je polovodičová součástka, která se skládá ze dvou oblastí s polovodiči typu p nebo n, mezi nimiž je oblast s polovodičem typu n nebo p. V tranzistoru jsou tedy dvě oblasti přechodu pn.

Typy polovodičů v periodické tabulce prvků

Následující tabulka poskytuje informace o velkém počtu polovodičových prvků a jejich zapojení, rozdělených do několika typů:

  • jednoprvkové polovodiče IV. skupiny periodické soustavy prvků ,
  • komplex: dvouprvkové A III B V a A II B VI ze třetí a páté skupiny a z druhé a šesté skupiny prvků.

Všechny typy polovodičů mají zajímavou závislost zakázaného pásma na periodě, totiž jak se perioda zvětšuje, pásmová mezera klesá.

Skupina IIB IIIA IVA VA PŘES
Doba
2 5B _ 6C _ 7 N
3 13 Al 14Si _ 15p _ 16S _
čtyři 30 Zn 31 Ga 32ge _ 33 jako _ 34 se
5 48 CD 49 palců 50 sn 51 Sb 52 Te
6 80 Hg

Fyzikální jevy v polovodičích

Fyzikální vlastnosti polovodičů jsou ve srovnání s kovy a dielektriky nejvíce studovány . To je do značné míry usnadněno velkým množstvím fyzikálních jevů, které nejsou pozorovány v žádné látce a jsou spojeny se zařízením pásové struktury polovodičů a s dosti úzkou mezerou v pásmu.

Hlavním impulsem pro studium polovodičových materiálů je výroba polovodičových součástek a integrovaných obvodů  - to se týká především křemíku , ale ovlivňuje i další polovodičové materiály ( Ge , GaAs , InP , InSb ).

Křemík je polovodič s nepřímou mezerou, jehož optoelektrické vlastnosti jsou široce využívány pro tvorbu fotodiod a solárních článků , je však obtížné vytvořit zdroj záření na bázi křemíku a používají se zde polovodiče s přímou mezerou - sloučeniny typu A III B V , mezi nimiž lze rozlišit GaAs , GaN , které se používají k vytvoření LED a polovodičových laserů .

Vlastní polovodič při teplotě absolutní nuly nemá na rozdíl od vodičů v pásmu vodivosti volné nosiče a chová se jako dielektrikum . Při silném dopingu se situace může změnit (viz degenerované polovodiče ).

Legování

Elektrické vlastnosti polovodiče mohou být vysoce závislé na defektech v krystalové struktuře . Snaží se proto používat velmi čisté látky především pro elektronický průmysl.

Dopanty se zavádějí pro řízení velikosti a typu polovodičové vodivosti. Například široce používaný křemík lze dotovat prvky podskupiny V periodického systému prvků - fosforem , arsenem , které jsou donory , a lze získat křemík s elektronovou vodivostí (n-Si). K získání křemíku s děrovým typem vodivosti (p-Si) se používají prvky III podskupiny boru nebo hliníku ( akceptor ). Jsou také získány kompenzované polovodiče pro umístění Fermiho úrovně uprostřed zakázaného pásma.

Získávání metod

Vlastnosti polovodičů závisí na způsobu přípravy, protože různé nečistoty během růstu je mohou změnit. Nejlevnějším způsobem průmyslového získání monokrystalického průmyslového křemíku je Czochralského metoda . K čištění technologického křemíku se také používá metoda zónového tavení .

K získání monokrystalů polovodičů se používají různé metody fyzikální a chemické depozice. Nejpřesnějším a nejdražším nástrojem v rukou technologů pro růst monokrystalických filmů je instalace molekulárního paprsku epitaxe , která umožňuje růst krystalu s přesností monovrstvy.

Polovodičová optika

Absorpce světla polovodiči je způsobena přechody mezi energetickými stavy pásové struktury. Vzhledem k Pauliho vylučovacímu principu se elektrony mohou pohybovat pouze z naplněné energetické hladiny na nezaplněnou. V intrinsickém polovodiči jsou všechny stavy valenčního pásma vyplněny a všechny stavy vodivostního pásma jsou nezaplněné, takže přechody jsou možné pouze z valenčního pásma do vodivého pásma . K provedení takového přechodu musí elektron přijmout energii ze světla, které přesahuje zakázané pásmo. Fotony s nižší energií nezpůsobují přechody mezi elektronovými stavy polovodiče, takže takové polovodiče jsou průhledné ve frekvenčním rozsahu , kde  je zakázané pásmo,  je Planckova konstanta . Tato frekvence definuje základní absorpční hranu pro polovodič. U polovodičů, které se často používají v elektronice ( křemík , germanium , arsenid galia ), leží v infračervené oblasti spektra.

Další omezení absorpce světla polovodiči ukládají pravidla výběru , zejména zákon zachování hybnosti . Zákon zachování hybnosti vyžaduje, aby se kvazihybnost konečného stavu lišila od kvazihybnosti výchozího stavu o velikost hybnosti absorbovaného fotonu. Fotonové vlnové číslo , kde  je vlnová délka, je velmi malé ve srovnání s vlnovým vektorem polovodičové reciproké mřížky , nebo ekvivalentně je vlnová délka fotonu ve viditelné oblasti mnohem větší než charakteristická meziatomová vzdálenost v polovodiči, což vede k požadavek, aby se kvazihybnost konečného stavu při elektronickém přechodu prakticky rovnala kvazihybnosti výchozího stavu. Při frekvencích blízkých základní absorpční hraně je to možné pouze u polovodičů s přímou mezerou . Optické přechody v polovodičích, ve kterých se hybnost elektronu téměř nemění, se nazývají přímé nebo vertikální . Hybnost konečného stavu se může výrazně lišit od hybnosti počátečního stavu, pokud se procesu absorpce fotonu účastní další, třetí částice, například fonon . Takové přechody jsou také možné, i když méně pravděpodobné. Říká se jim nepřímé přechody .

Polovodiče s přímou mezerou, jako je arsenid galia , začnou silně absorbovat světlo, když kvantová energie překročí pásmovou mezeru. Takové polovodiče jsou velmi vhodné pro použití v optoelektronice .

Polovodiče s nepřímou mezerou, například křemík , absorbují mnohem slabší ve frekvenčním rozsahu světla s kvantovou energií o něco větší, než je pásmová mezera, pouze v důsledku nepřímých přechodů, jejichž intenzita závisí na přítomnosti fononů, a tedy na teplota . Mezní frekvence přímých přechodů křemíku je více než 3 eV, to znamená, že leží v ultrafialové oblasti spektra.

Když elektron přejde z valenčního pásma do vodivostního pásu, objeví se v polovodiči volné nosiče náboje a tím i fotovodivost .

Na frekvencích pod základní absorpční hranou je možná i absorpce světla, která je spojena s buzením excitonů , elektronickými přechody mezi hladinami nečistot a povolenými pásmy, jakož i s absorpcí světla na vibracích mřížky a volných nosičích. Pásy excitonu jsou umístěny v polovodiči poněkud pod spodní částí vodivostního pásu kvůli vazebné energii excitonu. Absorpční spektra excitonu mají strukturu energetických hladin podobnou vodíku . Podobně nečistoty, akceptory nebo donory vytvářejí úrovně akceptorů nebo dárců, které leží v bandgapu. Výrazně modifikují absorpční spektrum dopovaného polovodiče. Pokud je fonon absorbován současně se světelným kvantem během přechodu nepřímé mezery, pak energie absorbovaného světelného kvanta může být nižší o energii fononů, což vede k absorpci na frekvencích poněkud nižších v energii ze základní absorpční hrany.

Seznam polovodičů

Polovodičové sloučeniny jsou rozděleny do několika typů:

  • jednoduché polovodičové materiály  - vlastní chemické prvky: bor B, uhlík C, germanium Ge, křemík Si, selen Se, síra S, antimon Sb, telur Te a jod I. Germánium, křemík a selen našly široce samostatné použití. Zbytek se nejčastěji používá jako příměsi nebo jako součásti složitých polovodičových materiálů;
  • Skupina komplexních polovodičových materiálů zahrnuje chemické sloučeniny dvou, tří nebo více chemických prvků. Polovodičové materiály dvou prvků se nazývají binární a jak je v chemii zvykem, mají název součásti, jejíž kovové vlastnosti jsou méně výrazné. Takže binární sloučeniny obsahující arsen se nazývají arsenidy , sulfidy síry, teluridy teluru , karbidy uhlíku . Složité polovodičové materiály jsou kombinovány podle čísla skupiny periodické tabulky prvků D. I. Mendělejeva , do které složky sloučeniny patří, a jsou označeny písmeny latinské abecedy (A je první prvek, B je druhý, atd.). Například binární sloučenina fosfid india InP je označena A III B V

Následující sloučeniny jsou široce používány:

A III B V
  • InSb, InAs, InP, GaSb, GaP, AlSb, GaN, InN
A II B V
  • CdSb, ZnSb
A II B VI
  • ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdTe, HgSe, HgTe, HgS
A IV B VI
  • PbS, PbSe, PbTe, SnTe, SnS, SnSe, GeS, GeSe

stejně jako některé oxidy olova, cínu, germania, křemíku. Kromě oxidů se používá ferit, amorfní skla a mnoho dalších sloučenin (A I B III C 2 VI , A I B V C 2 VI , A II B IV C 2 V , A II B 2 II C 4 VI , A II B IV C 3 VI ).

Na základě většiny výše uvedených binárních sloučenin je možné získat jejich pevné roztoky: (CdTe) x (HgTe) 1-x , (HgTe) x (HgSe) 1-x , (PbTe) x (SnTe) 1-x , (PbSe) x (SnSe) 1-x a další.

Sloučeniny A III B V se používají hlavně pro elektronické výrobky pracující na mikrovlnných frekvencích .

Sloučeniny A II B V se používají jako luminofory viditelné oblasti , LED diody , Hallovy senzory , modulátory.

Sloučeniny A III B V , A II B VI a A IV B VI se používají při výrobě světelných zdrojů a přijímačů, indikátorů a modulátorů záření.

Oxidové polovodičové sloučeniny se používají pro výrobu fotočlánků , usměrňovačů a vysokofrekvenčních jader induktorů.

Fyzikální vlastnosti sloučenin typu A III B V
Možnosti AlSb GaSb InSb Běda GaAs InAs
Bod tání, K 1333 998 798 1873 1553 1218
Mřížková konstanta, Å 6.14 6.09 6.47 5.66 5,69 6.06
Pásmová mezera ΔE , eV 0,52 0,7 0,18 2.2 1.41 0,35
Dielektrická konstanta ε 8.4 14.0 15.9
Mobilita, cm²/(V s):
elektrony padesáti 5000 60 000 4000 34 000 [2]
díry 150 1000 4000 400 460 [2]
Index lomu, n 3.0 3.7 4.1 3.2 3.2
Lineární koeficient tepelné
roztažnosti, K -1
6,9 10-6 5,5 10-6 5,7 10-6 5,3 10 -6

Skupina IV

Skupina III- V

Skupina II- VI

Skupina I- VII

Skupina IV - VI

Skupina V- VI

  • 2složkové polovodiče

Skupina II–V

Ostatní

Organické polovodiče

Magnetické polovodiče

Viz také

Poznámky

  1. Fyzikální veličiny: referenční kniha / A. P. Babichev N. A. Babushkina, A. M. Bartkovsky a další, ed. I. S. Grigorieva, E. Z. Meilikhova. — M.; Energoatomizdat, 1991. - 1232 s. - ISBN 5-283-04013-5
  2. 1 2 Indický arsenid // Chemická encyklopedie
  3. Byl nalezen polovodič, který se ukázal být mnohem lepší než křemík – arsenid boru // Hi-Tech, 23. července 2022

Literatura

  • Tauc Ya. Foto- a termoelektrické jevy v polovodičích. M. : Nakladatelství zahraniční literatury, 1962, 256 s.
  • Tauc J. Optické vlastnosti polovodičů. M. : Mir, 1967, 74 s.
  • Kireev P. S. Fyzika polovodičů. - M., Vyšší škola, 1975. - Náklad 30 000 výtisků. — 584 s.
  • Gorelik S. S. , Dashevsky V. Ya. Nauka o materiálech polovodičů a dielektrik: Učebnice pro univerzity. - M. : MISIS, 2003. - 480 s. — ISBN 5-87623-018-7 .
  • Kiselev VF Povrchové jevy v polovodičích a dielektrikách. - M., Nauka, 1970. - Náklad 7800 výtisků. — 399 s.
  • Anatychuk L.I. , Bulat L.P. Semiconductors za extrémních teplotních podmínek. - Petrohrad, Nauka, 2001. - Náklad 1500 výtisků. — 223 s.
  • Henney I. B. Polovodiče. - M . : Zahraniční literatura, 1962. - 668 s.
  • Smith R. Semiconductors. - M . : Zahraniční literatura, 1962. - 467 s.

Odkazy